Hart wie Stein, elastisch wie Gummi

Qinhuangdao (China)/Washington (USA) - Diamant, Graphit, Graphene oder Nanoröhrchen – Reiner Kohlenstoff bietet eine große Vielfalt an Materialien mit unterschiedlichsten Eigenschaften. Mit einem Hochdruck-Experiment erweiterte nun eine chinesisch-amerikanische Forschergruppe die Palette vielseitiger Kohlenstoffverbindungen. Sie schufen ein leichtes Material, dass zugleich hart wie Stein oder Keramik und elastisch wie ein Kunststoff ist. Wie die Materialforscher in der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichten, ist der neue glasartige Kohlenstoff auch noch elektrisch leitfähig und bietet damit viele Anwendungsmöglichkeiten.

„Einfach erkärt vereint das Material die besten Eigenschaften von graphit- und diamantartigen Kohlenstoffverbindungen“, sagen Zhisheng Zhao und Yongjun Tian von der Yanshan University in Qinhuangdao. Grundlage dieser neuen, glasartigen Verbindung ist die einzigartige Eigenschaft von Kohlenstoffatomen, sich wahlweise mit zwei, drei oder vier weiteren Atomen verknüpfen zu können. Gemeinsam mit Kollegen von der Carnegie Institution in Washington gelang die Synthese einer Kohlenstoffverbindung, die widerstandsfähig gegen Druck und Chemikalien war und sich unter starken Biegekräften elastisch verformte und nicht brach.

Als Ausgangsmaterial wählten Tian und Kollegen eine besondere Kohlenstoffverbindung, in der sich gebogene, atomar dünne Graphenschichten unregelmäßig zu einem Festkörper zusammenballten. Eine nur Millimeter kleine Probe dieses glasartigen Kohlenstoffs pressten sie zwischen zwei Diamantstempel mit bis zu 25 Gigapascal Druck zusammen. Zusätzlich heizten sie ihre Probe rasch auf bis zu 1100 Grad Celsius auf. Nach etwa zwei Stunden entstanden die bisher unbekannten, harten und elastischen Varianten von Kohlenstoff.

Mit mehreren Methoden – Elektronenmikroskopie, Röntgenbeugung, Raman-Spektroskopie – analysierten die Forscher den inneren Aufbau dieses komprimierten, glasartigen Kohlenstoffs. Dabei erkannten sie, dass sich die Atome in direkter Nachbarschaft mit einem Abstand von bis zu fünf Nanometern streng symmetrisch angeordnet hatten. Über größere Abstände jedoch dominierte eine eher ungeordnete atomare Struktur. In der Verbindung verknüpften sich die Atome einerseits mit vier weiteren Atomen wie im Diamant, teilweise aber auch nur mit drei Nachbaratomen wie in Graphit oder Graphen.

Dieses Experiment zeigt, dass aus Kohlenstoff neue Werkstoffe entstehen können, die hart und chemisch inert, aber auch leicht und elastisch sind. „In Zukunft wollen wir mit unserem Verfahren weitere neue Materialen erschaffen“, sagen Zhao und Tian. Ihr Ziel ist ein extrem festes, ultrahartes und zugleich superelastischer Werkstoff. Diese ließen sich beispielsweise für die Konstruktion von Brücken, Rotorflügeln oder Flugzeughüllen nutzen. Um große Mengen dieser Kohlenstoffverbindungen herstellen zu können, müsste aber auch das Syntheseverfahren noch deutlich optimiert werden. Denn die bisher erschaffenen Proben waren kaum größer als der Kopf einer Stecknadel.