Wie die Wissenschaft einen bemerkenswerten neuen Härter erfand

Nathan Hurst

Wie entwirft man Industriewerkzeuge, die selbst die anspruchsvollsten Geräte mit Diamantspitze übertreffen? Ganz einfach: Sie erstellen ein neues Material, das noch härter als Diamant ist.

Ja, es ist eine oft falsch dargestellte „Tatsache“: Diamant ist das härteste Material der Welt. Dieser Titel ist schon seit einiger Zeit umstritten, und ein diesen Monat in Nature veröffentlichter Artikel bietet einen weiteren Anwärter.

„Ultrahartes nanozwillinges kubisches Bornitrid“ beschreibt, wie Forscher der University of Chicago, der University of New Mexico, der Yanshan University, der Jilin University und der Hebei University of Technology eine Form von Bornitridpartikeln zu einer ultraharten Version komprimierten.

Die resultierenden transparenten Nuggets konkurrierten in ihrer Härte mit Diamanten und übertrafen diese sogar, so die von den Forschern durchgeführten Tests. Mit einem Vickers-Wert von 108 GPa übertrifft es synthetischen Diamanten (100 GPa) und verdoppelt die Härte kommerzieller Formen von kubischem Bornitrid mehr als.

Das Geheimnis liegt in der Nanostruktur. Yongjun Tian und die anderen Forscher begannen mit zwiebelähnlichen Bornitridpartikeln, die ein wenig wie eine schuppige Rose geformt waren – oder, wie Tian sie beschreibt, wie Matroschka-Puppen. Als sie sie bei 1.800 Grad Celsius und 15 GPa komprimierten (etwa das 68.000-fache des Drucks in einem Autoreifen), organisierten sich die Kristalle neu und bildeten eine Nanozwillingsstruktur.

In einer kristallinen Nanozwillingsstruktur teilen benachbarte Atome eine Grenze, so wie es benachbarte Wohnungen tun. Und wie in manchen Wohnungen spiegeln sich die Zwillinge gegenseitig. Um eine Substanz härter zu machen, verringern Wissenschaftler normalerweise die Größe der Körner, was es für irgendetwas schwieriger macht, sie zu durchdringen – kleine Körner bedeuten, dass zwischen ihnen weniger Platz ist, damit ein Punkt eindringen kann. Aber der Prozess stößt an seine Grenzen: Bei allem, was kleiner als etwa 10 nm ist, sind inhärente Defekte oder Verzerrungen fast so groß wie die Körner selbst und schwächen somit die Struktur.

Aber die Nanozwillinge machen es auch schwieriger, Substanzen zu durchstechen, und im Fall von Bornitrid bleibt diese charakteristische Festigkeit bei Größen von durchschnittlich etwa 4 nm erhalten, erklärt Tian. Und als Bonus war das kubische Bornitrid auch bei hohen Temperaturen stabil.

„In unserem nanoverzwillingten cBN bleiben die hervorragende thermische Stabilität und chemische Inertheit erhalten, wobei die Härte mit der von Diamant konkurriert oder diese sogar übersteigt, was es zum begehrtesten Werkzeugmaterial für die Industrie macht“, sagt Tian.

Er geht davon aus, dass das Produkt durch weitere Forschung preislich mit den weicheren, kommerziellen Formen von kubischem Bornitrid vergleichbar sein wird, die derzeit erhältlich sind. Zu den wahrscheinlichen Verwendungszwecken gehören Bearbeitungs-, Schleif-, Bohr- und Schneidwerkzeuge sowie wissenschaftliche Instrumente.

Das Problem besteht natürlich darin, dass Wissenschaftler zur genauen Messung der Härte eines Materials eine noch härtere Substanz nehmen, sie zu einer Pyramide formen und prüfen, wie viel Druck erforderlich ist, um diese Pyramide in das Material zu treiben. Das funktioniert nicht, es sei denn, Sie haben etwas, von dem Sie sicher sind, dass es schwieriger ist. Daher ist die Vickers-Zahl für Tians kubisches Bornitrid nicht unbedingt das letzte Wort bei der Messung, bemerkt die Kristallographin Natalia Dubrovinskaia im Scientific American.

Gregory Barber

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