Rasend schnell rotiert die Schleifmaschine und poliert ein Stück Metall. Die Schleifscheibe ist mit Diamant besetzt – bekanntlich das härteste Material der Welt. Doch Diamant ist nicht der einzige Härtefall unter den Werkstoffen: Ein anderes Material steht ihm da kaum nach – kubisches Bor-Nitrid, sagt Yongjun Tian, Physiker an der Yanshan Universität im Nordosten von China.
"Kubisches Bor-Nitrid ist das zweithärteste Material nach Diamant. Bei bestimmten Eigenschaften ist es ihm sogar überlegen: Bor-Nitrid ist chemisch stabiler als Diamant und hält höhere Temperaturen aus. Deshalb kommt Bor-Nitrid seit vielen Jahren in der Industrie zum Einsatz, etwa beim Schleifen und Bohren."
Der Grund für die Härte liegt in den chemischen Eigenschaften des Boratoms: Es giert förmlich nach Elektronen. Um seinen Hunger zu stillen, sucht das Boratom eine möglichst enge Bindung zu anderen Elementen wie etwa Stickstoff. Dabei nämlich kann das Bor die Elektronen des Stickstoffs extrem fest an sich klammern. Die Bindung ist so fest, dass sie selbst extremen mechanischen Belastungen und hohen Temperaturen trotzt – ein äußerst hartes und hitzebeständiges Material. Doch lässt sich die Härte von Bor-Nitrid noch steigern? Durchaus, meint Tian.
"Bor-Nitrid ist ein so genanntes polykristallines Material. Es besteht aus lauter winzigen Kristallkörnchen. Dabei gilt: Je kleiner diese Körnchen, umso härter das Bor-Nitrid. Und uns ist es nun gelungen, mit einem Trick die Größe der Kristalle deutlich zu verringern."
Und so sah der Trick aus: Zunächst synthetisierten die Chinesen winzige Nanoteilchen aus Bor und Stickstoff – mit einer Schalenstruktur ähnlich wie bei einer Zwiebel. Diese Nano-Teilchen wurden dann bei 1800 Grad Celsius mit 150.000-fachem Atmosphärendruck zusammengepresst. Heraus kamen so genannte Nano-Zwillinge: Das sind winzige Kristalle, die aus zwei identischen Hälften bestehen. Eben diese Nano-Zwillinge sorgten dafür, dass die Kristallkörnchen bei der Herstellung des Bor-Nitrids extrem klein blieben – vier Nanometer statt wie früher 14 Nanometer. Das Resultat:
"Unser neues Material zeigt die größte Härte, die höchste Bruchfestigkeit und die beste Hitzebeständigkeit von allen Bor-Nitrid-Werkstoffen, die es gibt. Es ist jetzt in etwa so hart wie ein Industriediamant. Deshalb eignet es sich bestens zum Schleifen, Schneiden und Bohren von allen möglichen Materialien."
Im Moment versuchen Tian und seine Kollegen, den Druck, den es zur Herstellung des neuen Materials bedarf, zu senken. Denn ein Druck von 150.000 bar ist zwar im Labor machbar, aber für die industrielle Produktion doch ein bisschen viel. Das Fernziel aber ist deutlich ehrgeiziger:
"Wir versuchen, Nano-Zwillinge aus Diamant herzustellen. Wir wollen unsere Methode also auch auf die Herstellung künstlicher Diamanten übertragen."
Diese neuen Diamanten, so die Vision, sollen dann deutlich härter sein als die Diamanten, die es bislang gibt. Und damit würden Schleifscheiben aus Diamant künftig noch effektiver abspanen und polieren können als heute.
"Kubisches Bor-Nitrid ist das zweithärteste Material nach Diamant. Bei bestimmten Eigenschaften ist es ihm sogar überlegen: Bor-Nitrid ist chemisch stabiler als Diamant und hält höhere Temperaturen aus. Deshalb kommt Bor-Nitrid seit vielen Jahren in der Industrie zum Einsatz, etwa beim Schleifen und Bohren."
Der Grund für die Härte liegt in den chemischen Eigenschaften des Boratoms: Es giert förmlich nach Elektronen. Um seinen Hunger zu stillen, sucht das Boratom eine möglichst enge Bindung zu anderen Elementen wie etwa Stickstoff. Dabei nämlich kann das Bor die Elektronen des Stickstoffs extrem fest an sich klammern. Die Bindung ist so fest, dass sie selbst extremen mechanischen Belastungen und hohen Temperaturen trotzt – ein äußerst hartes und hitzebeständiges Material. Doch lässt sich die Härte von Bor-Nitrid noch steigern? Durchaus, meint Tian.
"Bor-Nitrid ist ein so genanntes polykristallines Material. Es besteht aus lauter winzigen Kristallkörnchen. Dabei gilt: Je kleiner diese Körnchen, umso härter das Bor-Nitrid. Und uns ist es nun gelungen, mit einem Trick die Größe der Kristalle deutlich zu verringern."
Und so sah der Trick aus: Zunächst synthetisierten die Chinesen winzige Nanoteilchen aus Bor und Stickstoff – mit einer Schalenstruktur ähnlich wie bei einer Zwiebel. Diese Nano-Teilchen wurden dann bei 1800 Grad Celsius mit 150.000-fachem Atmosphärendruck zusammengepresst. Heraus kamen so genannte Nano-Zwillinge: Das sind winzige Kristalle, die aus zwei identischen Hälften bestehen. Eben diese Nano-Zwillinge sorgten dafür, dass die Kristallkörnchen bei der Herstellung des Bor-Nitrids extrem klein blieben – vier Nanometer statt wie früher 14 Nanometer. Das Resultat:
"Unser neues Material zeigt die größte Härte, die höchste Bruchfestigkeit und die beste Hitzebeständigkeit von allen Bor-Nitrid-Werkstoffen, die es gibt. Es ist jetzt in etwa so hart wie ein Industriediamant. Deshalb eignet es sich bestens zum Schleifen, Schneiden und Bohren von allen möglichen Materialien."
Im Moment versuchen Tian und seine Kollegen, den Druck, den es zur Herstellung des neuen Materials bedarf, zu senken. Denn ein Druck von 150.000 bar ist zwar im Labor machbar, aber für die industrielle Produktion doch ein bisschen viel. Das Fernziel aber ist deutlich ehrgeiziger:
"Wir versuchen, Nano-Zwillinge aus Diamant herzustellen. Wir wollen unsere Methode also auch auf die Herstellung künstlicher Diamanten übertragen."
Diese neuen Diamanten, so die Vision, sollen dann deutlich härter sein als die Diamanten, die es bislang gibt. Und damit würden Schleifscheiben aus Diamant künftig noch effektiver abspanen und polieren können als heute.