Spezielle Kristalle werden unter Belastung noch fester

Wenn spröde Kristalle belastet werden, können sie leicht zerbrechen. Doch das gilt nicht für alle kristallinen Werkstoffe. Ganz im Gegenteil kann eine Verbindung aus Eisen und Kohlenstoff, Zementit genannt, immer fester werden, je stärker sie unter Druck steht. Dieses Verhalten prognostizierten Materialforscher mit Computersimulationen, in denen sich das Bindungsverhalten der Atome zueinander offenbarte. Auf dieser Grundlage, über die die Forscher in der Zeitschrift „Nature“ berichten, könnten nun neue Wege zur Synthese extrem fester Materialien gefunden werden.

Verschiedende Schaubilder der Molekülstruktur, eine davon zeigt Kohlenstoff- und Eisenatome als dicht gepackte, gelbe Kugeln
Zementitkristalle

„Unsere Entdeckung ändert das bisherige Wissen über feste Materialien und wird einen großen Einfluss auf das Design von strukturellen Werkstoffen haben“, sagt Chao Jiang vom Los Alamos National Laboratory. Zusammen mit seinem Kollegen Srivilliputhur Srinivasan entwickelte er ein Computerprogramm zur Simulation der atomaren Bindungen in Kristallen. Dabei wurden die möglichen Kristallstrukturen und das quantenmechanische Verhalten der beteiligten Atome berücksichtigt. Die Berechnungen ergaben, dass unter extrem hohen Drücken in der Größenordnung Dutzender Gigapascal die Zementitkristalle zusätzliche Querverbindungen zueinander aufbauen können und dadurch an Festigkeit gewinnen. Ein ähnliches Verhalten ergaben die Simulationen auch für eine Carbidverbindung mit Aluminium und Bor.

Diese Vorhersagen über eine zunehmende Festigkeit könnten nun in Experimenten überprüft werden. Dazu sind spezielle Hochdruckapparaturen nötig, in denen eine hydraulische Mechanik extrem stark auf ein Material pressen kann. Mit solchen Hydraulikpressen konnte schon das weiche Kohlenstoffmaterial Graphit so stark gepresst werden, dass winzige Diamantkristalle entstanden. Sollten diese Experimente gelingen, wäre die Fertigung einer neue Klasse hochfester Werkstoffe vorstellbar.