Frage: Warum sind Diamanten so hart? - scinexx | Das Wissensmagazin
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Frage: Warum sind Diamanten so hart?

Wissenswert

Nichts ist härter als ein Diamant © Clipdealer

„Diamonds are a girl’s best friend – Diamanten sind die besten Freunde eines Mädchens“, sang schon Marilyn Monroe. Aber nicht nur Freunde von teurem Schmuck sind begeistert von Diamanten – auch Chemiker, Ingenieure und die Hersteller von Werkzeugen wissen sie ungeheuer zu schätzen. Denn Diamant ist das härteste Material überhaupt. Wenn es mit Druck auf einen anderen Stoff trifft, wird Diamant immer gewinnen, und das andere Material muss nachgeben. Daher beschichtet man Werkzeuge, etwa Schleifscheiben, gerne mit einer dünnen Diamantschicht. Aber was genau macht Diamanten eigentlich so hart?

„Seine dreidimensionale Struktur aus lauter gleichen Atomen mit steifen, gerichteten Bindungen dazwischen“, sagt Richard Dronskowski, Professor am Lehrstuhl für Festkörper- und Quantenchemie an der RWTH Aachen. Diamant ist aus nur einer einzigen Sorte von Atomen aufgebaut: dem Kohlenstoff. Diese Atome sind so miteinander verknüpft, dass ein dreidimensionales Gitter entsteht, in dem jedes Atom mit vier anderen in einer ganz bestimmten Weise verknüpft ist. Und gegen jede Art der Umgestaltung wehrt sich dieses Gitter massiv.

Atome weichen nicht von ihrem Platz

Wie hart ein Material ist, hängt auf atomarer Ebene vor allem davon ab, wie gut sich Atome oder ganze Atomgruppen des Stoffs gegeneinander verschieben lassen. Setzt das Material einer solchen Strukturänderung viel Widerstand entgegen, ist es hart.

Beim Diamant lässt sich so gut wie gar nichts umarrangieren. Es ist genau festgelegt, an welcher Stelle die Bindungen und die Atome sitzen: Zwischen allen vier Nachbarn eines Kohlenstoffatoms ist gleich viel Platz. Die Winkel zwischen zwei benachbarten Atomen betragen überall – egal, wohin man schaut – 109 Grad. Das macht die Bindungen so steif: „Wenn Sie Druck auf den Diamanten ausüben, können Sie nicht einfach diese Winkel verändern, um die Atome gegeneinander zu verschieben“, sagt Dronskowsi. „Dafür müssten Sie eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung komplett aufbrechen.“ Das ist aber nur mit sehr, sehr viel Energie möglich und würde zudem bedeuten, dass der Diamant kein Diamant mehr ist, sondern kaputt.

Ein naher Verwandter sitzt im Bleistift

Der nächste Verwandte des Diamants ist ausgerechnet das Graphit aus der Bleistiftmine – ein außerordentlich weiches Material. Auch dieses besteht nur aus Kohlenstoff. Dort sind die Atome aber in einer Schichtstruktur angeordnet. Innerhalb der Schichten halten sie eng aneinander fest, aber zwischen den einzelnen Schichten herrschen nur sehr geringe Kräfte. Sie lassen sich daher leicht gegeneinander verschieben – es reicht schon der leichte Druck, den man beim Schreiben auf den Bleistift ausübt. Dann rutschen einige Schichten weg und landen auf dem Papier. Graphit ist daher auch ein ausgezeichnetes Schmiermittel.

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Diamanten entstehen natürlicherweise nur dort, wo sehr hoher Druck herrscht: in großen Tiefen. Bei dem geringen Luftdruck an der Oberfläche unseres Planeten würden sie sich eigentlich zu Graphit umwandeln – denn dies ist bei niedrigem Druck die stabilere Form. Aber das passiert nur sehr, sehr langsam – so langsam, dass man es nicht beobachten kann. Diese Umwandlung läuft bei höherer Temperatur aber schneller, weshalb man sich hüten sollte, einen Diamantring in den Backofen zu legen. „Halten Sie mal ein Feuerzeug an den Diamant, dann brennt er weg wie Kohle“, fügt Dronskowski hinzu. Unsere besten Freunde sind die Diamanten vielleicht, aber unvergänglich, wie so manche Werbung verspricht, sind sie keinesfalls.

30.03.2012 – BO

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