Wissenschaftler haben eine neue Materialklasse entdeckt: Carbonitrid, das so hart wie Diamant ist. Die Entdeckung, das Ergebnis internationaler Zusammenarbeit und jahrzehntelanger Forschung, eröffnet aufgrund ihrer Haltbarkeit und anderen Eigenschaften wie Photolumineszenz und hoher Energiedichte die Möglichkeit einer Vielzahl industrieller Anwendungen. Dieser durch internationale Mittel finanzierte und in Advanced Materials veröffentlichte Durchbruch markiert einen großen Fortschritt in der Materialwissenschaft.
Wissenschaftler haben ein jahrzehntealtes Rätsel gelöst und eine nahezu unzerstörbare Substanz enthüllt, die es mit Diamant als härtestem Material auf der Erde aufnehmen könnte, heißt es in einer Studie.
Die Forscher fanden heraus, dass das resultierende Material – Carbonitrid – härter ist als kubisches Bornitrid, das zweithärteste Material nach Diamant, wenn Vorläufer von Kohlenstoff und Stickstoff extremer Hitze und Druck ausgesetzt werden.
Experten sagen, dass der Durchbruch die Tür zu industriellen Anwendungen für das vielseitige Material öffnet, darunter Schutzbeschichtungen für Autos und Raumfahrzeuge, hochwertige Hochleistungsschneidwerkzeuge, Solarmodule und Fotodetektoren.
Materialforscher versuchen bereits seit den 1980er Jahren, das Potenzial von Carbonitriden auszuschöpfen, als Wissenschaftler erstmals deren besondere Eigenschaften, darunter eine hohe Hitzebeständigkeit, bemerkten.
Nach mehr als dreißig Jahren Forschung und mehreren Syntheseversuchen gab es jedoch keine glaubwürdigen Ergebnisse.
Internationale Zusammenarbeit bringt Erfolg
Nun ist einem internationalen Team von Wissenschaftlern, darunter Forscher des Centre for Extreme Conditions Science der Universität Edinburgh, Experten der Universität Bayreuth in Deutschland und der Universität Linköping in Schweden, endlich ein Durchbruch gelungen.
Das Team setzte verschiedene Formen von Kohlenstoff-Stickstoff-Vorläufern einem Druck von 70 bis 135 Gigapascal (etwa eine Million Mal Atmosphärendruck) aus und erhitzte sie dabei auf mehr als 1.500 Grad Celsius.
Um die atomare Anordnung dieser Verbindungen unter diesen Bedingungen zu bestimmen, wurden die Proben mit intensiven Röntgenstrahlen an drei Teilchenbeschleunigern beleuchtet – der European Synchrotron Research Facility in Frankreich, dem Deutschen Electron Synchrotron in Deutschland und der Advanced Photon Source in den Vereinigten Staaten.
Die Forscher fanden heraus, dass es drei Kohlenstoffnitridverbindungen gibt, die über die für die Ultrahärte erforderlichen Bausteine verfügen. Bemerkenswerterweise behielten die drei Verbindungen ihre diamantähnlichen Eigenschaften, wenn sie wieder auf Umgebungsdruck und -temperatur gebracht wurden. Weitere Berechnungen und Experimente zeigten, dass diese neuen Materialien auch andere Eigenschaften besitzen, darunter Photolumineszenz und eine hohe Energiedichte.
Forscher sagen, dass diese ultrakomprimierten Carbonitride ein breites Spektrum potenzieller Anwendungen haben und zum ultimativen technischen Material werden könnten, das mit Diamant vergleichbar ist.
Die in Advanced Materials veröffentlichte Forschung wurde durch das FLF-Programm der Royal Institution und den Europäischen Forschungsfonds finanziert.
Dr. Dominique Laniel, Future Leaders Fellow am Institute of Condensed Matter Physics and Complex Systems an der School of Physics and Astronomy der University of Edinburgh, sagte: „Mit der Entdeckung des ersten neuen Kohlenstoffnitridmaterials sind wir ungläubig, dass ein Material, von dem Forscher in den letzten drei Jahrzehnten geträumt haben, endlich verfügbar ist. Diese Materialien liefern einen starken Impuls, um die Lücke zwischen Hochdruck-Materialsynthese und industriellen Anwendungen zu schließen.“
Dr. Florian Trybel, Assistenzprofessor am Fachbereich Physik, Chemie und Biologie der Universität Linköping, sagte: „Diese Materialien zeigen nicht nur eine bemerkenswerte Vielseitigkeit, sondern zeigen auch, dass technologisch relevante Phasen der Materie unter synthetischen Druckbedingungen, die Tausenden von Kilometern im Erdinneren entsprechen, wiederhergestellt werden können. Wir sind überzeugt, dass diese gemeinsame Forschung neue Möglichkeiten auf diesem Gebiet eröffnen wird.“
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily