Durchbruch bei Kohlenstoffnitriden eröffnet Weg für bedeutende Fortschritte in der Materialwissenschaft

Fortschritte in Computertechnik, nachhaltiger Energie und Verkehr beruhen häufig auf neuen Materialien. Manche Entdeckungen erhalten mehr Aufmerksamkeit als andere — etwa die Behauptung eines möglichen Raumtemperatur-Supraleiters Mitte 2023 — doch leichtere, festere oder günstigere Materialien können in vielen Branchen neue Anwendungen ermöglichen.

Forschende haben ein seit über 30 Jahren verfolgtes Ziel erreicht: die Herstellung sehr harter Kohlenstoffnitride, die möglicherweise mit Diamant konkurrieren können. Im Folgenden geht es um die Ergebnisse, denkbare Anwendungen und Unternehmen, für die solche Materialien interessant werden könnten, falls die Herstellung im größeren Maßstab gelingt.

Der Durchbruch

Die Studie mit dem Titel „Synthese extrem wenig komprimierbarer und bei Umgebungsbedingungen rückgewinnbarer Kohlenstoffnitride mit CN₄-Tetraedern“ beschreibt die Herstellung von vier Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindungen. Drei waren zuvor nicht beobachtete Phasen; oP8-CN war bereits experimentell hergestellt worden:

• oP8-CN
• hP126-C₃N₄
• tI14-C₃N₄
• tI24-CN₂

Die Forschenden verwendeten laserbeheizte Diamantstempelzellen bei Drücken von 72–134 GPa und Temperaturen um 2.500 K. Die Verbindungen blieben auch nach der Rückkehr zu Umgebungsdruck und -temperatur erhalten.

Starke kovalente Bindungen und tetraedrische Baueinheiten hängen mit der sehr geringen Komprimierbarkeit und der Superhärte zusammen. Je nach Verbindung untersuchte das Team außerdem Eigenschaften wie:

• hohe Energiedichte
• Piezoelektrizität
• Photolumineszenz.

Die neuen Phasen sind wegen ihres Potenzials als Konkurrenten zu Diamant bei harten Materialien interessant. Ihre Synthese und Erhaltung unter Umgebungsbedingungen sind wichtige Fortschritte der Hochdruckforschung. Die Ergebnisse belegen jedoch nicht, dass alle Verbindungen härter als Diamant sind.

Kompressionsmodul und Mohs-Skala

Die gemessenen Kompressionsmoduln erreichten bis zu 419 GPa, verglichen mit etwa 446 GPa bei Diamant. Dies stützt die Schlussfolgerung, dass alle vier Kohlenstoffnitride extrem wenig komprimierbar sind.

Der Kompressionsmodul und die Mohs-Skala messen unterschiedliche Eigenschaften.

Kompressionsmodul: Er beschreibt den Widerstand gegen eine Volumenänderung bei gleichmäßigem Druck. Die Einheit ist Pascal, etwa Gigapascal (GPa). Ein höherer Wert bedeutet geringere Komprimierbarkeit und ist keine direkte Härtemessung.

Mohs‑Skala: Diese ordinale Skala ordnet Mineralien nach ihrer Ritzhärte von 1 bis 10. Die Abstände zwischen den Stufen sind nicht gleich. Sie erfasst eine andere Eigenschaft als der Kompressionsmodul.

Die Größen sind daher nicht austauschbar. Härte wird durch Ritz- oder Eindringversuche untersucht, während der Kompressionsmodul die Komprimierbarkeit beschreibt.

Anwendungsfälle

Die Kombination mechanischer und weiterer Eigenschaften eröffnet mehrere Forschungsrichtungen. Nicht jede Phase besitzt alle genannten Eigenschaften. Die folgenden Anwendungen sind Möglichkeiten und keine in der Studie nachgewiesenen kommerziellen Produkte.

Illustration möglicher Anwendungen superharter Kohlenstoffnitride.

Industrielle Anwendungen: Die Superhärte könnte für Schneidwerkzeuge, Schleifmittel und Bohrgeräte interessant sein. Weitere Untersuchungen müssen zeigen, ob Leistung und Lebensdauer davon profitieren.

Elektronik und Optoelektronik: Die untersuchten piezoelektrischen und optischen Eigenschaften könnten Möglichkeiten für Sensoren, Wandler, Photodetektoren und weitere optoelektronische Bauteile eröffnen.

Energiespeicherung: Die berechnete hohe Energiedichte betrifft die Energie, die bei der Zersetzung in Graphit und molekularen Stickstoff frei wird. Das macht die Verbindungen als energiereiche Materialien interessant, belegt aber keine besseren Elektroden für Batterien oder Superkondensatoren.

Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung: Harte Schutzschichten und verschleißfeste Werkzeuge könnten für Luftfahrt, Raumfahrt und Verteidigung relevant werden. Dafür müssen unter anderem Stabilität, Bruchverhalten und Leistung unter tatsächlichen Einsatzbedingungen untersucht werden.

Medizintechnik: Schutzbeschichtungen für Prothesen oder Implantate sind eine mögliche weitere Forschungsrichtung. Die Studie weist keine Biokompatibilität der neuen Phasen nach; eine medizinische Verwendung erfordert eigene Sicherheits- und Materialprüfungen.

Die Eigenschaften sind vielversprechend, doch praktische Herstellungsverfahren im industriellen Maßstab fehlen bislang. Weitere Forschung bleibt notwendig.

Unternehmen für fortschrittliche Materialien

*Die folgenden Finanzkennzahlen sind Momentaufnahmen der ursprünglichen Veröffentlichung von 2023 und keine aktuellen Kurse oder Prognosen. Die besprochenen Unternehmensanwendungen sind Möglichkeiten.*

1. 3M Company

MMM Preisdiagramm

3M Company (MMM ) entwickelt Materialien für zahlreiche wissenschaftliche und industrielle Märkte, darunter Gesundheit, Konsumgüter und Elektronik. Superharte Kohlenstoffnitride könnten künftig für Schleifmittel und Schneidwerkzeuge relevant sein. Piezoelektrische und optische Eigenschaften könnten zudem Forschung an elektronischen Bauteilen und optischen Systemen anregen. Das passt zu den beschriebenen Tätigkeitsfeldern, doch die Studie belegt weder eine konkrete Anwendung noch eine Zusammenarbeit mit 3M.

2. General Electric

GE Preisdiagramm

General Electric (GE.TO ) (GE) umfasste 2023 sowohl Luftfahrt als auch Stromerzeugung und erneuerbare Energien. Fortschrittliche Materialien konnten daher für mehrere Konzernbereiche interessant sein. Die Verwendung dieser speziellen Kohlenstoffnitride ist hier eine mögliche künftige Anwendung und kein bestätigtes Unternehmensprojekt.

3. RTX, zuvor Raytheon Technologies

RTX Preisdiagramm

RTX, zuvor Raytheon Technologies, entwickelt Luftfahrt- und Verteidigungssysteme. Sehr harte Kohlenstoffnitride könnten für Schutzschichten oder verschleißfeste Werkzeuge interessant werden. Ihre Eignung für leichte, hochfeste Strukturbauteile hängt auch von anderen Eigenschaften als der Härte ab. Die Studie bestätigt kein Entwicklungsprogramm für diese Verbindungen bei RTX.

Fazit

Seit der theoretischen Arbeit von 1989 suchen Forschende nach Kohlenstoffnitriden mit außergewöhnlicher Härte. Die Synthese neuer Phasen, die unter Umgebungsbedingungen erhalten bleiben, ist ein wichtiger Meilenstein. Als Nächstes sind die reproduzierbare Herstellung in größerem Maßstab und die Machbarkeit kommerzieller Anwendungen zu untersuchen.