Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     Siemens  n-tv 
Datenbankrecherche:

Fachgebiet (optional):

 

How to soften a diamond

29.11.2010
It is the hardest material in the world, and yet it can not only be used to cut other materials, but can be machined itself. Already over 600 years ago first diamonds were cut and the same technique is still used to transform precious stones into exquisite jewelry and later into unrivaled industrial tools.

Anzeige

Dr. Lars Pastewka’s and Prof. Michael Moseler’s team at the Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM in Freiburg/Germany can now reveal the secret of why it is that diamonds can be machined. The team published its findings in the current online issue of Nature Materials (http://dx.doi.org/10.1038/nmat2902).


This work represents major progress in tribology -the research of friction and wear. Despite the great significance for industry the scientific basics of tribology are poorly understood.

Diamonds have been ground by craftsmen for hundreds of years using cast iron wheels studded with fine diamond particles turning at around 30 meters per second at the outer rim. A highly tuned sense of sound and feeling enable an experienced diamond grinder to hold the rough diamond at just the right angle to achieve a smooth and polished surface. The fact that diamonds react directionally has been known for a long time, says Lars Pastewka. The physical phenomenon is known as anisotropy. The carbon atoms in the diamond lattice form lattice planes, some of which are easier to polish than others, depending on the angle at which the diamond is held.

For hundreds of years, researchers have been looking for a logical way of explaining this empirical phenomenon, and have so far been unsuccessful. Equally, no one has been able to explain why it is possible that the hardest material in the world can be machined. The scientists in Freiburg have answered both these questions with the help of a newly developed calculation method.

Michael Moseler explains the method in layman’s terms: »The moment a diamond is ground, it is no longer a diamond.« Due to the high-speed friction between the rough diamond and the diamond particles in the cast iron wheel, a completely different »glass-like carbon phase« is created on the surface of the precious stone in a mechanochemical process. The speed at which this material phase appears depends on the crystal orientation of the rough diamond. »This is where anisotropy comes in«, explains Moseler.

The new material on the surface of the diamond, adds Moseler, is then »peeled off« in two ways: the ploughing effect of the sharp-edged diamond particles in the wheel repeatedly scratches off tiny carbon dust particles from the surface - this would not be possible in the original diamond state, which is too hard and in which the bond forces would be too great. The second, equally important impingement on the normally impenetrably hard crystal surface is due to oxygen (O) in the air. The O2 molecules bond with carbon atoms (C) within the instable, long carbon chains that have formed on the surface of the glassy phase to produce the atmospheric gas CO2, carbon dioxide.

And how was it possible to determine when and which atoms would detach from the crystalline surface? »We looked extremely closely at the quantum mechanics of the bonds between the atoms at the surface of the rough diamond breaking. We had to analyze the force field between the atoms in detail«, explains Lars Pastewka.

If one understands these forces well enough, one can precisely describe - and model - how to make and break bonds. »This provided the basis for investigations into the dynamics of the atoms at the friction surface between a diamond particle on the wheel and the rough diamond itself«, adds Pastewka. He and his colleague Moseler have calculated the paths of around 10,000 diamond atoms and followed them on screen. Their calculations paid off: their model is able to explain all the processes involved in the dusty and long misunderstood method of diamond grinding.

The newly developed model is not only a milestone in the field of diamond research: »It proves also that friction and wear processes can be described precisely with modern material simulation methods ranging from the atomic level to macroscopic objects.« emphasizes Prof. Peter Gumbsch, director of the institute. He considers this just as one example of the many questions on wear that industry needs answers to. These questions will be addressed in future by the Fraunhofer IWM within the newly founded MicroTribology Centre µTC under the motto »make tribology predictable«.

Thomas Goetz | Quelle: alphagalileo
Weitere Informationen: www.iwm.fraunhofer.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Engineered materials: Custom-made magnets
24.05.2012 | The Agency for Science, Technology and Research (A*STAR)

nachricht Singapore-made anti-reflective plastics to be commercialised
24.05.2012 | The Agency for Science, Technology and Research (A*STAR)

Alle Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>


Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Im wahrsten Sinne „Spitzenforschung“: IPHT-Forscher untersuchen Eiweißfasern mit größter Genauigkeit


Krankheiten wie Parkinson, Alzheimer und bestimmte Krebsformen gehen auf eine fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen im Körper zurück.

Wissenschaftlern des Instituts für Photonische Technologien (IPHT) in Jena ist es erstmals gelungen, Proteinstrukturen auf sub-molekularer Ebene nachzuweisen und spektroskopisch zu analysieren. Ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Krankheitsursachen.

„Bis heute hat man nicht genau verstanden, was die fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen, zum Beispiel im Zusammenhang mit Alzheimer, ...

Im Focus: Widerspenstiges Quasiteilchen erzeugt


Die Quantenphysik beschreibt physikalische Vorgänge in Festkörpern und anderen Vielteilchensystemen auch mit Hilfe von Quasiteilchen.

Innsbrucker Physikern um Rudolf Grimm ist es nun erstmals gelungen, ein neues Quasiteilchen - ein repulsives Polaron - in einem Quantengas experimentell zu erzeugen. Die Forscher berichten darüber in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift Nature.

Ultrakalte Quantengase sind ein ideales Experimentierfeld, um physikalische Phänomene in Festkörpern zu simulieren. Unter streng kontrollierten Bedingungen ...

Im Focus: Licht lässt Partikel wachsen - Forscher entdecken neuen Mechanismus in der Atmosphäre


Licht lässt die Partikel in der Atmosphäre wachsen. In einem Experiment hat ein internationales Forscherteam erstmals einen neuen Mechanismus nachweisen können, bei dem Partikel durch Licht größer werden und der damit Einfluss auf die Wolkenbildung und das Klima hat.

Photokatalytische Reaktionen können zu einer schnellen Bindung von nicht kondensierenden flüchtigen organischen Kohlenwasserstoffen (VOCs) auf der Oberfläche der Partikel führen. Unter solchen Bedingungen nehme die Größe und Masse der Partikel schnell zu, schreiben die Wissenschaftler im renommierten Fachblatt PNAS.

Die Ergebnisse des Laborexperimentes könnten Effekte erklären, die bisher schon bei Feldkampagnen ...

Im Focus: Abschreckung: Tabak signalisiert angreifenden Zikaden Verteidigungsbereitschaft


Ähnlich wie blutsaugende Insekten prüfen Pflanzenschädlinge ihren Wirt auf Abwehrsignale, bevor sie anfangen zu fressen

Pflanzen bilden wenige Minuten nach Angriff eines Fraßfeindes Jasmonsäure, ein Hormon, das die Verteidigung gegen Insekten in Gange setzt mit der Folge, dass giftige Stoffe wie Nikotin oder Verdauungshemmer in den Blättern akkumulieren.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie, Jena, haben jetzt herausgefunden, dass Zwergzikaden die Verteidigungsbereitschaft von Tabakpflanzen aufspüren können. ...

Im Focus: Erbgutkopie reist im Protein-Koffer


Wissenschaftlern vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn ist es erstmals gelungen, den Transport eines wichtigen Informationsträgers in biologischen Zellen praktisch unmodifiziert in Echtzeit zu filmen.

Die Studie zeigt, wie die so genannte Boten-RNA die Zellkernhülle überwindet und vom Zellkern in das Zytoplasma gelangt. Diese Arbeit ist nun in dem renommierten Journal „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA“ (PNAS) publiziert.

Der Bauplan aller Lebewesen ist in ihrem Erbgut gespeichert. Dieses lagert bei höheren ...

Alle Focus-News des innovations-reports >>>

Anzeige

B2B Suche
Produkt / Dienstleistung
Firma / Organisation

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Aktuell

Energieversorger vor dem Umbruch

24.05.2012 | Studien Analysen

Stem-cell-growing surface enables bone repair

24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie

Im wahrsten Sinne „Spitzenforschung“: IPHT-Forscher untersuchen Eiweißfasern mit größter Genauigkeit

24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie

VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Veranstaltungen

NieKE Themenforum: Ökonomie - Tierschutz - Lebensmittelsicherheit

24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten

Nachhaltigkeit in der Schifffahrt: Werte vs. Wertschöpfung

24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten

Wissenschaft und Öffentlichkeit

24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten

FindAndHelp