Flexible Diamanten

CambridgeUSAKein natürliches Material ist stabiler und fester als Diamant. Dennoch lassen sich die Kristalle biegen und stauchen wie Gummi. Diese überraschende Beobachtung machten amerikanische Forscher, die winzige Nanonadeln aus Diamant gezüchtet haben. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, ließen sich die Nadeln um bis zu neun Prozent verbiegen. Da sich mit dieser Verformung auch optische, elektronische und magnetische Eigenschaften ändern, könnten auf der Basis von Diamantnadeln beispielsweise neuartige Sensoren entwickelt werden.

„Wir waren sehr überrascht zu sehen, wie stark sich Diamant auf der Nanoskala elastisch deformieren ließ“, sagt Ming Dao vom Massaschusetts Institute of Technology in Cambridge. Gemeinsam mit Kollegen vom Centre of Super-Diamond and Advanced Films in Hong Kong sowie aus Korea und Singapur züchtete er winzige, wenige Mikrometer lange Diamantnadeln. Dazu ließen sie die Kristalle in einer einer heißen Kohlenstoff-Atmosphäre wachsen und strukturierten die Nadeln in einem anschließenden Ätzprozess. Unter dem Rasterelektronenmikroskop erkannten die Wissenschaftler, dass sich die konisch zuspitzenden Nanonadeln wie die Grashalme auf einer Wiese nebeneinander anordneten.

Um die Festigkeit der winzigen Diamantstrukturen zu analysieren, drückten Dao und Kollegen mit einer vielfach größeren Diamantspitze von oben auf die senkrecht stehenden Nanonadeln. Eigentlich hätte man erwarten können, dass die filigranen, kristallinen Nadeln unter einer Drucklast von etwa 100 Gigapascal direkt zerbrechen. Doch stattdessen ließen sie sich deutlich um einige hundert Nanometer verbiegen und sogar elastisch stauchen. Ohne Drucklast nahmen die flexiblen Nanonadeln wie Gummi wieder ihre ursprünglichen Form an.

Parallel durchgeführte Berechnungen ergaben, dass sich die Diamantnadeln um etwa neun Prozent flexibel verbiegen ließen ohne zu brechen. Größere Diamantkristalle dagegen lassen sich um allerhöchstens ein Prozent verformen. So näherten sich die Wissenschaftler mit ihren monokristallinen Nanonadeln nahe an das theoretische Maximum für die Flexibilität von Diamantstrukturen an. Weitere Experimente zeigten, dass sich auch polykristalline Nanonadeln ebenfalls flexibel verbiegen ließen, doch zerbrachen sie schon bei deutlich geringeren Belastungen.

Diese Versuche offenbaren nicht nur eine verblüffende Verformbarkeit von Diamanten. Die Entdeckung könnte auch zu einer neuen Klasse hochempfindlicher Sensoren führen. Denn Kristalle verändern bei starken Dehnungen reversibel ihre physikalischen Eigenschaften. So sollte sich auch in verformten, unter Druck stehenden Diamantnadeln das Ausbreitungsverhalten von Strom, Wärme oder Licht messbar verändern.