Ultrafestes Zementit: Kristalle werden unter Druck noch fester

Computersimulationen spielen bei der Suche nach neuen Werkstoffen eine immer größere Rolle. Dieser „in silico“-Methode zufolge könnten spezielle Carbidverbindungen unter starkem Druck deutlich an Festigkeit gewinnen. Auf dieser Grundlage wären neue Wege zur Synthese extrem fester Materialien möglich.

„Unter Druck werden vor allem biologische Materialien wie Haut oder Blutgefäße immer fester. Dieses Verhalten fanden wir nun überraschenderweise für zwei einfache Kristalltypen“, erläutert Chao Jiang vom Los Alamos National Laboratory. Für diese Entdeckung entwickelte er zusammen mit seinem Kollegen Srivilliputhur G. Srinivasan von der University of North Texas ein Computerprogramm, mit dem sich das Verhalten atomarer Bindungen in Kristallen simulieren ließ. Dabei berücksichtigten sie sowohl alle theoretisch möglichen Kristallstrukturen, komplexe Dichtefunktionen als auch die quantenmechanischen Eigenschaften der beteiligten Atome. Die Berechnungen ergaben, dass unter sehr hohen Drücken zwischen 10 und 30 Gigapascal Zementit-Kristalle zusätzliche Querverbindungen zueinander aufbauen und dadurch an Festigkeit gewinnen könnten. Die ursprüngliche Stöchiometrie von orthorhombischen Fe₃C wechselte dabei zu einer komplexeren Fe₆C-Struktur.

Ein etwas anderes Verhalten unter Druck zeigten dagegen die Simulationen für eine Carbid-Verbindung mit Aluminium und Bor. In hexagonalen Kristallen aufgebautes Al₃BC₃ bildete keine neuen Bindungen aus, sondern es änderte sich vielmehr die Stärke der kovalenten Bindungen zwischen Bor- und Aluminiumatomen. Die ursprüngliche Stöchiometrie blieb erhalten. „Unsere Entdeckung ändert das bisherige Wissen über feste Materialien und wird einen großen Einfluss auf das Design von strukturellen Werkstoffen haben“, sind die beiden Wissenschaftler überzeugt.

Doch zuvor müssten ihre Vorhersagen über eine zunehmende Festigkeit erst in Experimenten überprüft werden. Dazu sind hydraulische Hochdruckpressen nötig, die heute etwa für die Simulation von geologischen Prozessen tief im Erdinnern im Einsatz sind. Mit solchen Hydraulikpressen ließ sich auch schon die relativ weiche Kohlenstoffform des Graphits so stark zusammendrücken, dass winzige Diamant-Kristalle entstanden. Sollten diese Experimente gelingen, wäre die Fertigung einer neuen Klasse hochfester Werkstoffe möglich.

Jan Oliver Löfken

AH