Bisher gelten Diamanten als härtestes Material der Erde. Jetzt könnte ein neuentwickeltes Material ihnen den Rang ablaufen. Einem Team von Hochdruckwissenschaftler:innen der Universitäten Bayreuth und Edinburgh ist es gelungen, superharte multifunktionelle Kohlenstoffnitride herzustellen.

An diesem Thema arbeiten Forscher:innen weltweit, seit im Jahr 1989 die Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindung C3N4 mit außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften angekündigt worden war. Diese, so hieß es damals in der Fachzeitschrift Science, könnte möglicherweise die Härte von Diamanten übertreffen.

Die seit über 30 Jahren gesuchten Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindungen konnten die Wissenschaftler:innen aus Deutschland und Schottland jetzt synthetisieren. Dazu setzten sie verschiedene Kohlenstoff-Stickstoff-Vorstufen hohem Druck zwischen 70 und 135 Gigapascal aus. Zur Einordnung: 100 Gigapascal entsprechen dem einmillionenfachen Atmosphärendruck.

Darüber hinaus wurden sie auf über 1.500 Grad Celsius erhitzt. Die entstandenen Proben wurden schließlich mithilfe von drei Teilchenbeschleunigern, darunter dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (Desy), charakterisiert. Ergebnis: vier Kohlenstoffnitride mit den Zusammensetzungen CN, CN2 und C3N4 und unterschiedlich komplexen Strukturen, wie es in einer Mitteilung der Universität Bayreuth heißt.

„Die Tatsache, dass die Hochdruck-C3N4-Kohlenstoffnitride Abdrücke auf einer Diamantoberfläche hinterlassen, ist ein Beweis für ihre Härte, die mit der von Diamant selbst vergleichbar ist“, so die Wissenschaftler:innen. Im Gegensatz zu Diamanten könnten die Kohlenstoffnitride zudem leicht angereichert werden, wie Natalia Dubrovinskaia, eine Hauptautorin der Forschungsarbeit, erklärt.

Eine weitere positive Überraschung für die Wissenschaftler:innen war, dass die Materialien ihre Härte auch unter normalen Druckverhältnissen und bei Raumtemperatur beibehielten. Seine Ergebnisse hat das internationale Forschungsteam in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht („Synthesis of Ultra-Incompressible and Recoverable Carbon Nitrides Featuring Tetrahedra“).

Die potenziellen Anwendungsmöglichkeiten der synthetisierten Kohlenstoffnitride seien „enorm“, so die Forscher:innen. Neben der Superhärte besitzen die Materialien auch eine hohe Energiedichte und piezoelektrische Eigenschaften. Zudem sollen sie über photolumineszente und nichtlineare optische Eigenschaften verfügen.

Als Konkurrenz für Diamanten könnten sie etwa in der Energie-, Umwelt-, Luft- und Raumfahrttechnologie zum Einsatz kommen. So könnten sie für die Herstellung von Raumschiffen, Solarpanels oder ultraharten Bohrern verwendet werden.