Materialherstellung

Härtere Zahnimplantate dank Korund

Zahnimplantate könnten künftig robuster, auch die Materialherstellung einfacher werden als bislang – mithilfe von Korund, einer besonders stabilen Variante von Aluminiumoxid.

Da Korund es in puncto Härte beinahe mit Diamant aufnehmen kann und auch gegen Hitze und Chemikalien ausgesprochen beständig ist, wird das Material für keramische Implantate in der Zahnheilkunde, aber auch für Prothesen oder Schneidwerkzeuge verwendet. Adobe stock_vvoe

Chemiker vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr haben einen Weg gefunden, Korund in Form von Nanoteilchen herzustellen, und zwar durch simple Mechanochemie in einer Kugelmühle.

Der Korund ist ein relativ häufig vorkommendes Mineral aus der Mineralklasse der Oxide und Hydroxide. Er kristallisiert im trigonalen Kristallsystem mit der chemischen Zusammensetzung Al2O3 und ist damit chemisch gesehen Aluminiumoxid.

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Die Teilchen könnten unter anderem als widerstandsfähiges Trägermaterial in Autokatalysatoren oder Ausgangsmaterial für besonders harte Keramiken dienen. In seinen edelsten Varianten formt Korund dank Spuren von Chrom, Eisen oder Titan Rubine und Saphire. Da er es in puncto Härte beinahe mit Diamant aufnehmen kann und auch gegen Hitze und Chemikalien ausgesprochen beständig ist, wird Korund für keramische Implantate in der Zahnheilkunde, aber auch für Prothesen oder Schneidwerkzeuge verwendet.

Noch bruchfester sind Keramiken aus Nanopartikeln

Noch bruchfester ließe sich die Keramik machen, wenn sie aus Nanopartikeln des Aluminiumoxids produziert würde. Ein solches Herstellungsverfahren bräuchte zudem weniger Energie. Vereinfachen könnten Nanopartikel aus Korund auch den Bau von Autokatalysatoren, deren katalytisch aktive Komponente damit zudem stabiler würde. Bislang setzt die Automobilindustrie dafür in einem aufwendigen Verfahren eine weniger stabile Form von Aluminiumoxid ein.

Ein Pulver der winzigen Korundpartikel erhalten die Forscher, indem sie Brocken von Böhmit, einem wasserhaltigen Aluminiumoxid, das in dem häufig vorkommenden Erz Bauxit enthalten ist, schlicht drei Stunden lang in einer Kugelmühle mahlen und anschließend kurz erhitzen. Bislang konnten Chemiker Korund aus anderen Oxiden von Aluminium nur erzeugen, wenn sie die Ausgangsstoffe bei mehr als 1.000 Grad Celsius brannten oder bei eher milden Temperaturen von um die 500 Grad wochenlang unter hohen Druck setzten. Dann bildeten sich zudem keine Nanokristalle, sondern größere Partikel.

Das Team untersuchte, ob eine katalytische Reaktion in einer solchen Mühle besser abläuft, weil der Katalysator beim Mahlen immer wieder eine frische Oberfläche erhält, an der die Reaktionspartner zueinander kommen können. Als Katalysator verwendeten sie dabei ein weiches mit Goldpartikeln versetztes Aluminiumoxid und verfolgten das Geschehen in der Kugelmühle mit verschiedenen analytischen Methoden. Nach ein paar Stunden hatte sich ein Teil des Aluminiumoxids in Korund umgewandelt.

Darum ist das Mahlen in der Mühle erfolgreich

Inzwischen können die Chemiker auch erklären, warum ein so banaler Vorgang wie das Mahlen zur Herstellung eines Mineral dient, das sonst nur unter harschen Bedingungen und schon gar nicht in Nanoform zu bekommen ist: Zum einen beeinträchtigen die Defekte wie Risse, Brüche und Stufen, die beim Mahlen entstehen, die Stabilität von Korund weniger als die von weicheren Aluminiumoxiden. Korund entsteht deshalb bevorzugt.

Zum anderen liefern die Stöße, die das Material in der Mühle erfährt, genau die mechanische Energie, die für den ziemlich aufwendigen Umbau der Kristallstruktur zum Korund nötig ist. Die vergleichsweise niedrigen Temperaturen bei dem Prozess verhindern zudem, dass sich die Nanoteilchen zu größeren Körnern verklumpen. Ein erstes Industrieunternehmen arbeitet demzufolge schon daran, nach dem Mülheimer Rezept in großem Stil zu produzieren.

Amol P. Amrute, Zbigniew Łodziana, Hannah Schreyer, Claudia Weidenthaler, Ferdi Schüth: High-surface-area corundum by mechanochemically induced phase transformation of boehmite, in: Science  25 Oct 2019: Vol. 366, Issue 6464, pp. 485-489, DOI: 10.1126/science.aaw9377

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