Seit Jahrhunderten ist die Menschheit fasziniert von Diamanten. Sein Strahlen ist atemberaubend und obendrein ist er härter als jeder andere Edelstein. Auf der Mohsskala erreichen Diamanten die Härte zehn, den höchsten zu erreichenden Wert. Sie schneiden problemlos Glas, Keramik oder Gestein. Aus diesem Grund wurden Diamanten schon kurz nach Christus für Werkzeuge verwendet. Dies belegen alte Schriften wie die Naturalis Historia von Plinius dem Älteren.
Heutzutage kommen Diamanten auf Bohrköpfen, Skalpellen und an Fräsköpfen zum Einsatz. Mithilfe von Diamant-Werkzeugen lässt sich wesentlich exakter scharf schleifen als mit anderen Metallwerkzeugen, dadurch ist es möglich, feinste Strukturen herzustellen. In vielen technischen Bereichen sind Werkzeuge mit Diamantspitzen längst unverzichtbar. So lässt sich mit einem Diamantbohrer, dessen Bohrspitze, bzw. Bohrkrone, mit feinsten synthetischen Diamanten bestückt ist, Fliesenmaterial zuverlässig und sauber schneiden. Auch für das Durchbohren von harten Materialien, wie Granit, sind Diamantbohrer unverzichtbar geworden.
Allerdings hat der „unvergängliche“ Edelstein auch eine Schwäche: Bei zu großer Hitze oxidiert er und verliert dann schnell seine Härte. Obwohl der Diamant das härteste Material für Schneidewerkzeuge ist, hat die geringe Hitzebeständigkeit seine Anwendungen eingeschränkt, vor allem bei hohen Temperaturen. Denn ab einer Temperatur von 800 Grad nutzen sich Diamanten, die vollständig aus Kohlenstoff bestehen, schnell ab.
So versucht man seit Langem schon, Materialien herzustellen, die genauso hart sind wie Diamant, aber hitzebeständiger. Doch ist das überhaupt möglich? Lassen sich Diamanten künstlich herstellen, die härter und hitzebeständiger sind als ihre Vorbilder? Forscher aus China haben es geschafft, erstmals einen künstlichen Diamanten herzustellen, der seinen natürlichen Vorbildern sogar in Härte und Temperaturstabilität deutlich übertrifft – einen Super-Diamanten.
Die Herstellung des Super-Diamanten
Als Ausgangsmaterial für den superharten Diamanten verwendeten die Wissenschaftler ineinander verschachtelten Lagen von Kohlenstoffgittern. Sie waren kugelförmig wie die Schichten einer Zwiebel angeordnet. Diese Kohlenstoffzwiebel wurde in einem Spezialofen auf 1850 bis 2000 Grad erhitzt und gleichzeitig einem Druck von 20 Giga-Pascal, das entspricht dem Druck, wie er im Erdmantel in mehreren hundert Kilometern Tiefe herrscht, ausgesetzt. Dadurch verwandelte sich die „Kohlenstoffzwiebel“ in einen superharten Diamanten.
Um zu überprüfen, dass man einen Super-Diamanten erschaffen hatte, setzten die Forscher die Kristalle in einer Presse extremen Druck aus und prüften, wann die ersten Risse auftraten und ob sich das Material verformte. Das Ergebnis: Sowohl in der Härte als auch in der Bruchfestigkeit übertraf der Nanotwin-Diamant alle bisher bekannten Diamanttypen oder Werkzeugmaterialien. Auch im Hitzetest bewährten sich der Nanotwin-Diamant. Während natürliche Diamanten schon bei 780 Grad Auflösungserscheinungen zeigen, begann der Nanotwin-Diamant erst bei 980 Grad zu oxidieren.
Das Geheimnis des Super-Diamanten
Das Geheimnis dieses Super-Diamanten ist seine Kristallstruktur. Diese ist im Super Diamanten im Durchschnitt weniger als fünf Nanometer dick. Gleichzeitig sind die Grenzflächen im Kristall so angeordnet, dass sie jeweils parallele Grenzflächen bilden, entlang derer sich die Kristallstrukturen wie Bild und Spiegelbild gegenüberstehen. Zwar wusste man dies alles schon in der Theorie, doch gelungen war es noch keinem, eine solche Kristallstruktur zu erschaffen.
Nach Ansicht der Wissenschaftler zeigt die erfolgreiche Synthese der Nanotwin-Diamanten, dass diese Mikrostruktur ein effektiver Weg ist, um die Härte, Bruchfestigkeit und thermische Stabilität von ultraharten Materialien weiter zu erhöhen. Dieser Ansatz sei daher besonders gut dazu geeignet, neue kohlenstoffbasierte Materialien mit außergewöhnlicher Widerstandsfähigkeit zu erzeugen.
Was bedeutet das für uns?
Nach der Entdeckung der Diamanten 4000 vor Christus und der ersten künstlichen Herstellung von Diamanten 1955, ist dies ein neuer Sprung in deren Geschichte. Wird sie gerade als Einsatz von Werkzeugen uns besonders beeinflussen und Nutzen bringen. Dabei können wir uns jetzt noch nicht einmal ausmalen, wohin uns diese Errungenschaft Arbeitstechnisch weiterbringt. Schon jetzt zeigt die Verwendung von Diamantwerkzeug gegenüber klassischen Werkzeug seine Vorteile: Minimaler Werkzeugverschleiß, präziseres Arbeiten und extreme Langlebigkeit.
