Theoretischer Weltrekord: Deutlich härter als Diamant

Zwei sehr seltene Mineralien könnten messbar härter sein als der bisherige Härte-Standard Diamant

Shanghai (China)/Las Vegas (USA) - Presst man zwei Materialien spitz gegeneinander, so war es früher immer der Diamant, der im anderen Material seine Spuren hinterließ. Vor zwei Jahren aber zeigte ein Kompositstoff eine vergleichbare Härte, ein Verbund mit Anteilen des Minerals Wurtzit-Boronid. Und nun belegen theoretische Modelle chinesisch-amerikanischer Forscher, dass reines Wurtzit-Boronid sogar um 18 Prozent härter sein dürfte als Diamant - wenn es unter Druck leicht verändert wird und seine Kristallstruktur verschiebt.

Sogar um 58 Prozent härter als Diamant soll das Mineral Lonsdaleit sein, so die Berechnungen. Die Strukturverschiebung könnte schon beim typischen Druckversuch ablaufen, erklären die Forscher. Der neue Weltrekord gilt allerdings erst, wenn das Material im Praxistest diese Vorhersagen bestätigen kann. Interessant wären die Materialien für ein weites Anwendungsfeld, da sie mehr Wärme vertragen als Diamenten: etwa als Beschichtungen für Bohr- und Schneidwerkzeuge, für Raumschiffe oder Elektronikbauteile.

"Wir enthüllen hier den Verformungsmechanismus in zwei Stufen, der dafür verantwortlich ist, dass Wurtzit-Boronid eine überraschende Härte zeigt", schreibt das Team um Zicheng Pan und Hong Sun im Fachblatt "Physical Review Letters". "Außerdem zeigen wir, dass derselbe Mechanismus auch in Lonsdaleit funktioniert und für einen neuen Rekord sorgt", so die Forscher der Shanghai Jiao Tong University und Kollegen der University of Nevada. Diamant bekommt seine Härte durch eine starke Gitterstruktur seiner Kohlenstoffatome, die in Oktaeder-Form angeordnet sind. Lonsdaleit wird wegen seiner natürlichen Härte und Kristallstruktur auch "hexagonaler Diamant" genannt, ebenso kristallisiert Wurtzit, eine Verbindung aus Zink und Schwefel, in hexagonaler Struktur. Unter hohem Druck, so die Berechnungen, kommt es zu einem Phasenübergang, bei dem chemische Bindungen umklappen, das Volumen aber unverändert bleibt. Die neue Kristallstruktur sorgt für die unerwartete Härte.

In der Natur kommen die beiden Materialien nur in extrem geringen Mengen vor, die für eine Überprüfung der Theorie nicht ausreichen, geschweige denn für einen industriellen Einsatz als Diamantenersatz. Wurtzit-Boronid entsteht unter den extremen Drucken und Temperaturen von Vulkanausbrüchen, Lonsdaleit findet sich nach Meteoriteneinschlägen, etwa im sibirischen Tunguska-Krater oder im süddeutschen Ries-Krater. Allerdings hoffen die Forscher, durch neue Produktionsmethoden - auch im Nanobereich - in nicht allzu ferner Zeit ernstzunehmende Mengen der Minerale herzustellen und ihre Berechnungen testen zu können.