Diamanthart trotz geringen Drucks

Aus Rhenium und Bor lässt sich mithilfe eines relativ einfachen Verfahrens ein extrem harter Werkstoff herstellen.

Los Angeles (USA) – Verbindungen mit dem Element Bor sind bekannt für ihre große Härte. Doch Werkstoffe wie Bornitrid, Boroxid oder Borcarbonitrid müssen bei der Synthese extrem hohen Drücken oberhalb von fünf Gigapascal ausgesetzt werden. Amerikanische Materialforscher fanden nun einen einfacheren Weg zu einem diamantharten Werkstoff mit den Elementen Bor und Rhenium. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Zeitschrift „Science“.

„Kratzspuren auf einer Diamantoberfläche belegten die superharte Natur dieses Materials“, schreiben Richard B. Kaner und seine Kollegen von der University of California in Los Angeles. Um eine möglichst große Härte zu erhalten, suchten die Forscher zuerst nach Elementen mit einer hohen Dichte für die Valenzelektronen und dem Vermögen, starke kovalente Bindungen einzugehen. So fiel die Wahl zuerst auf das Übergangsmetall Osmium und Bor. Erste Versuche zeigten auch eine große Härte von Osmiumborid (OsB ₂). Doch ihre Suche ging weiter und so wählten sie Rhenium, das in einer Borverbindung sogar die kürzesten und damit stabilsten Metall-Metall-Verbindungen eingehen kann.

Für die Synthese von Rheniumdiborid mischten die Wissenschaftler die reinen Ausgangselemente und pressten dieses Pulver zu einem Pellet. In einer Quarzglasröhre heizten sie diese Probe fünf Tage lang unter Vakuum mit einer Bogenentladung auf etwa 1000 Grad Celsius auf und schmolzen es. Im Unterschied zur Synthese von anderen harten Borverbindungen war es jedoch nicht nötig, hohe Drücke auszuüben. Bei diesem relativ einfachen Verfahren entstand phasenreines Rheniumdiborid. Anschießend untersuchten sie ihren neuen Werkstoff auf seinen Härtegrad. Es wies ein überraschend hohes Kompressionsmodul von 360 Gigapascal auf. Zum Vergleich: dieses Maß für Beständigkeit gegen Verformung liegt bei Diamanten bei 442, und bei Stahl bei 160 Gigapascal.

Rheniumdiborid verspricht nach Aussage der Forscher viele Anwendungen in der Industrie. Dort könnte es Industriediamanten oder andere extrem harte Werkstoffe ersetzen. Von Vorteil wären günstige Synthesekosten, da kein Hochdruckverfahren mehr nötig wäre.

Auf der Suche nach harten Materialien waren kürzlich auch Bochumer Forscher erfolgreich. Sie schufen ebenfalls ein neues Komposit-Material, das härter als Diamant ist. „Diese Komposite enthalten Einschlüsse aus Bariumtitanat, die eine Phasentransformation durchgemacht haben“, berichteten Dennis Kochmann von der Ruhr-Universität Bochum und seine Kollegen von der Washington State University und von der University of Wisconsin-Madison. Beide Ausgangsstoffe, Bariumtitanat und Zinn, sind allein weicher als jeder Diamant. Doch durch ein geschicktes Herstellungsverfahren konnten sich diese Substanzen zu dem neuen, sehr viel härteren Werkstoff miteinander verbinden.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Hsiu-Ying Chung et al., Synthesis of Ultra-Incompressible Superhard Rhenium Diboride at Ambient Pressure, Science 316, 436 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1139322
• University of California, Los Angeles:
  http://www.ucla.edu
• Department of Chemistry and Biochemistry:
  http://www.chem.ucla.edu
• California NanoSystems Institute:
  http://www.cnsi.ucla.edu

Weitere Literatur:

• T. Jaglinski et al., Composite Materials with Viscoelastic Stiffness Greater than Diamond, Science 315, 620 (2006).
• D. He et al., Appl. Phys. Lett. 81, 643 (2002).
• V. L. Solozhenko, D. Andrault, G. Fiquet, M. Mezouar, D. C. Rubie, Appl. Phys. Lett. 78, 1385 (2001).
• F. Occelli et al., Phys. Rev. Lett. 93, 95502 (2004).