01.04.2021 - Washington State University

Im Labor hergestellte hexagonale Diamanten sind steifer als natürliche Diamanten

Das stärkste Material der Natur hat nun starke Konkurrenz bekommen. Zum ersten Mal haben Forscher harte Beweise dafür, dass vom Menschen hergestellte hexagonale Diamanten steifer sind als die üblichen kubischen Diamanten, die in der Natur vorkommen und oft in Schmuckstücken verwendet werden.

Benannt nach ihrer sechsseitigen Kristallstruktur, wurden hexagonale Diamanten an einigen Meteoriteneinschlagstellen gefunden, und andere wurden kurzzeitig in Labors hergestellt, aber diese waren entweder zu klein oder hatten eine zu kurze Existenz, um gemessen zu werden.

Jetzt haben Wissenschaftler am Institut für Schockphysik der Washington State University hexagonale Diamanten hergestellt, die groß genug sind, um ihre Steifigkeit mit Hilfe von Schallwellen zu messen. Ihre Ergebnisse sind in einer aktuellen Veröffentlichung in Physical Review Bdetailliert beschrieben .

"Diamant ist ein sehr einzigartiges Material", sagt Yogendra Gupta, Direktor des Institute for Shock Physics und korrespondierender Autor der Studie. "Es ist nicht nur das stärkste - es hat wunderbare optische Eigenschaften und eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit. Jetzt haben wir eine hexagonale Form des Diamanten hergestellt, die unter Schockkompressions-Experimenten produziert wurde und deutlich steifer und stärker ist als normale Edelsteindiamanten."

Forscher wollten schon lange ein Material erschaffen, das stärker ist als natürliche Diamanten und das in der Industrie eine Vielzahl von Anwendungen haben könnte. Während viele theoretisierten, dass hexagonale Diamanten stärker sein würden, liefert die WSU-Studie den ersten experimentellen Beweis, dass sie es sind.

Hauptautor Travis Volz, jetzt Post-Doktorand am Lawrence Livermore National Laboratory, konzentrierte sich in seiner Dissertationsarbeit an der WSU auf die Herstellung von hexagonalen Diamanten aus Graphit. Für diese Studie verwendeten Volz und Gupta Schießpulver und komprimiertes Gas, um kleine Graphitscheiben von der Größe eines Zehncentstücks mit einer Geschwindigkeit von etwa 15.000 Meilen pro Stunde auf ein transparentes Material zu schießen. Der Aufprall erzeugte Schockwellen in den Scheiben, die sie sehr schnell in sechseckige Diamanten verwandelten.

Unmittelbar nach dem Aufprall erzeugten die Forscher eine kleine Schallwelle und maßen mit Lasern deren Bewegung durch den Diamanten. Der Schall bewegt sich schneller durch steiferes Material. Zuvor bewegte sich der Schall am schnellsten durch kubischen Diamant; in den im Labor hergestellten hexagonalen Diamanten bewegte er sich schneller.

Jeder Vorgang geschah in einigen Milliardstel Sekunden, oder Nanosekunden, aber die Forscher konnten die Steifigkeitsmessungen durchführen, bevor der Aufprall mit hoher Geschwindigkeit den Diamanten zerstörte.

Steifigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, einer Verformung unter einer Kraft oder einem Druck zu widerstehen - zum Beispiel ist ein Stein steifer als Gummi, da sich Gummi verbiegt, wenn es gedrückt wird. Die Härte ist der Widerstand gegen Kratzer oder andere Oberflächenverformungen.

Im Allgemeinen sind steifere Materialien auch härter, sagte Volz. Obwohl die Forscher die Diamanten nicht zerkratzen konnten, um die Härte direkt zu testen, können sie durch die Messung der Steifigkeit der Diamanten Rückschlüsse auf ihre Härte ziehen.

Wenn die Wissenschaft so weit fortschreitet, dass im Labor hergestellte hexagonale Diamanten hergestellt und wiedergewonnen werden können, könnten sie eine Reihe von Anwendungen haben.

"Harte Materialien sind nützlich für Bearbeitungsmöglichkeiten", sagt Volz. "Diamant wird zum Beispiel schon seit langem in Bohrern verwendet. Da wir festgestellt haben, dass der hexagonale Diamant wahrscheinlich härter ist als der kubische Diamant, könnte er eine überlegene Alternative für die Bearbeitung, das Bohren oder jede Art von Anwendung sein, bei der der kubische Diamant verwendet wird."

Während die industriellen Vorteile klar sind, sagte Gupta, dass es immer noch möglich ist, dass hexagonale Diamanten eines Tages für Verlobungsringe verwendet werden könnten. Derzeit haben im Labor hergestellte kubische Diamanten einen geringeren Wert im Vergleich zu ihren natürlichen Artgenossen, aber hexagonale Diamanten wären wahrscheinlich neuartiger.

"Wenn wir sie eines Tages produzieren und polieren können, denke ich, dass sie gefragter sein würden als kubische Diamanten", sagte Gupta. "Wenn jemand zu Ihnen sagen würde: 'Sehen Sie, ich gebe Ihnen die Wahl zwischen zwei Diamanten: einer ist viel seltener als der andere.' Welchen würden Sie wählen?"

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