Von Rubinen und Implantaten

Aluminiumoxid kommt als Mineral in der Natur vor, wird als Hochleistungswerkstoff in der Technik verwendet und es ist in jedem Fall faszinierend. Warum eigentlich?Aluminiumoxid – das klingt zunächst einmal trocken, wie jeder chemische Begriff. Was soll dabei faszinieren? Warum hat man Lust, darüber ein Buch zu schreiben?

Das Oberhaupt der Familie stellt eine einfache chemische Verbindung aus Aluminium und Sauerstoff dar mit dem formalen Namen „Dialuminiumtrioxid“ und dem trivialen „Aluminiumoxid“.Wie bereits erwähnt, trägt diese Verbindung auch bekannte bzw. sogar berühmte Namen wie Korund, Tonerde, Rubin, Saphir. In jedem Fall ist es chemisch gesehen dasselbe Material, nämlich das Aluminiumoxid. Jedoch nur chemisch gesehen, da Herkunft, Verarbeitung und Anwendung dieser Materialien unterschiedlich sind.

Aluminiumoxid ist ein polymorphes Material. Und was bedeutet das? Das Wort „Polymorphie“ steht für Vielgestaltigkeit. Bei Werkstoffen bezeichnen wir damit das Vorkommen eines Materials in verschiedenen Modifikationen. Diese Modifikationen haben die gleiche chemische Zusammensetzung, unterscheiden sich aber in der Struktur, in der räumlichen Anordnung der Atome und dadurch auch in ihren Eigenschaften. Eine Zusammensetzung und verschiedene Eigenschaften – das ist doch erstaunlich.

In seinem Inneren ist Aluminiumoxid kristallin aufgebaut, egal ob es natürlicher oder künstlicher Herkunft ist.Kristallin bedeutet, dass die Bausteine eines Materials, seien es Atome oder Ionen oder Moleküle, räumlich angeordnet sind. Logischerweise handelt es sich hier immer um den festen Zustand des Materials. Kristalle werden präzise und eindeutig geometrisch beschrieben. Wir sprechen dabei von Kristallgittern und Elementarzellen.Kristalle beherrschen die Welt. Ja, so kann man tatsächlich sagen, wenn wir bedenken, dass die meisten festen Stoffe kristallin aufgebaut sind, so beispielsweise Sand, Stahl, Schneeflocke und auch Adrenalin im festen Zustand. Wir leben auf einem Kristallplaneten, in einer Welt aus Kristallen. Es mag pathetisch klingen, aber auch schön, da wir den Begriff „Kristall“ mit Schönheit verbinden. Rubine und Saphire sind ein gutes Beispiel dafür.

Warum wird das natürliche Aluminiumoxid „Korund“ oder „Rubin“ oder „Saphir“ genannt? Welche sind die Ursprünge dieser Namen? Dies zu erkunden ist die Aufgabe der Etymologie, der Lehre über die Entstehung und Herkunft von Wörtern und ihren Bedeutungen.Die Etymologie sagt uns, dass alle drei Wörter mit Farben zu tun haben. Und das sollte uns nicht überraschen. Die genannten Minerale sind alt und deren Namen stammen aus einer Zeit, in der ihre Zusammensetzung unbekannt war. Sie wurden nach den unmittelbar sichtbaren Eigenschaften bezeichnet. Von allen Eigenschaften eines Minerals sticht seine Farbe am meisten ins Auge. An zweiter Stelle durfte die Härte gewesen sein, also der Widerstand, den das Mineral in der Praxis z. B. beim Schleifen entgegensetzt.

Schon vor hunderten Jahren kannten Menschen Korund und seine bunten Varietäten. Das heißt, sie kannten die Mineralien eigentlich nicht. Weder in der Antike noch im Mittelalter war die Zusammensetzung von Korund sowie von Rubin und Saphir bekannt und ihre Bestimmung oftmals nicht möglich. So wurden sehr lange andere rote Steine als Rubine bzw. blaue Steine als Saphire bezeichnet.Um zu wissen, was diese Steine wirklich sind, musste zuerst die Chemie reif für diese Aufgabe werden. Chemie ist eine junge Wissenschaft. Ihre Anfänge reichen nur bis ins 18. Jahrhundert zurück. Die erste große chemische Leistung war die Erklärung des Verbrennungsvorganges als Aufnahme von Sauerstoff durch Lavoisier. Danach ging es aber richtig los. Die Chemie erlebt eine nie dagewesene Entwicklung. Es folgten goldene Zeiten für die chemische Analyse, für die Entdeckung neuer Elemente und für die Bestimmung verschiedenster Materialien.

Heute werden Edelsteine mit geeigneten physikalischen Methoden analysiert. Die Edelsteinanalyse gehört zum Bereich der Gemmologie oder Edelsteinkunde. Sie ist ein Teilgebiet der Mineralogie, die wiederum in der Geologie angesiedelt ist. Anders als in der Geologie kann bei der Edelsteinanalyse jedoch kein kleines Probestück, z. B. bei einem Schmuckstück, zur Analyse entnommen und benutzt werden. Sämtliche Analysen werden mit zerstörungsfreien Methoden vorgenommen. Die Edelsteine können anhand ihrer optischen, physikalischen, chemischen und kristallographischen Eigenschaften zuverlässig identifiziert werden.

Wir wissen bereits, dass der Korund in der Erdkruste gefunden werden kann, in der er über einen langen Zeitraum entstanden ist – zwar in keinen großen Mengen, dafür aber ziemlich häufig. Eine Liste der dokumentierten Fundorte ist lang, zu lang um sie hier zu nennen. Eigentlich kann Korund auf jedem Kontinent gefunden werden. Fundorte in Deutschland, Österreich und in der Schweiz gehören dazu. Auch in Grönland wurde Korund gefunden. Am häufigsten bildet Korund lange, säulenförmige oder prismatische Kristalle. Diese können mitunter sehr groß sein; es wurde von Korundkristallen mit etwa einem Meter Länge und einem Gewicht von bis zu 150 kg berichtet.

Korund und seine Varietäten sind sehr hart. Nach dem Diamanten ist der Korund das zweithärteste Mineral. Mineral wohl bemerkt, nicht jedoch das zweithärteste Material. Dies soll im Folgenden kurz erläutert werden.

Der Rubin ist die rote Varietät des Minerals Korunds, des natürlichen Aluminiumoxids.Von allen Edelsteinen, die den Menschen bekannt sind, ist der Rubin wahrscheinlich der beliebteste. Es ist eine Vorliebe, die schon lange Zeit besteht. Der Rubin ist der König der Edelsteine. Gewöhnlich denken wir, dass diese Bezeichnung dem Diamanten gebührt. Jedoch sind Rubine viel seltener als Diamanten und häufig kosten sie auch viel mehr. Diamanten sind in der Erdkruste zu finden, Rubine eigentlich nicht.

Warum ist der Himmel blau? Weil die Welt auf einem riesigen Saphir steht und sich dessen Farbe im Himmel spiegelt. Eine schöne Erklärung, nicht wahr? So dachte man früher in Persien.Der berühmteste Saphir ist in England beheimatet und spielte schon in zwei Liebesgeschichten eine Rolle. Das erste Mal war es 1981. Damals hat Prinz Charles einen Ring mit dem 12 Karat schweren Saphir und 14 einzelnen Diamanten zur Verlobung der späteren Prinzessin Diana überreicht. Im Oktober 2010 gab es den zweiten Auftritt des Steins bei der Verlobung von Prinz William mit Kate Middleton. Durch dieses Schmuckstück hat der Saphir einen Status als Star in der Edelsteinwelt erhalten.

Verschiedene Korunde, Rubine und Saphire unterscheiden sich lediglich durch ihre Farbe, die auf dem Vorhandensein kleiner Mengen fremder Elemente – sogenannten Spurenelemente – beruht. Für die Betrachtung der Korunde als Minerale oder als Werkstoffe ist die Farbe unwesentlich. Für ihre Verwendung als Edelsteine besitzt sie jedoch die allergrößte Wichtigkeit und Bedeutung.Wie entsteht eine Farbe, warum sehen wir ein Mineral, einen Stein farbig?

Wenn wir bedenken, dass Rubine, Saphire und andere Edelkorunde chemisch gesehen nichts anderes sind als simples Aluminiumoxid, und dass die beiden chemischen Komponenten – Aluminium und Sauerstoff – zu den häufigsten Elementen der Erdkruste zählen, stellt sich unweigerlich die Frage: Warum sind diese Mineralien so selten? Dabei geht es hier vor allem um Mineralien von Edelsteinqualität.

Wir sind mitten in den Schweizer Alpen, in einem Ort mit atemberaubendem Blick auf schneebedeckte Gipfel. In einer Straße stehen unscheinbare Werkhallen aus grauen Ziegeln. Wir gehen in eine Produktionshalle. Dort ist es laut und sehr warm. Reihenweise stehen ähnlich aussehende Vorrichtungen nebeneinander. Es sind hunderte Muffelöfen mit Knallgasbrennern auf mehrere Blöcke verteilt. Jedem Gasbrenner werden gezielt und kontinuierlich Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt. Kleine Hämmer schlagen auf die Pulverbehälter, um in einer Art von „Klopfkonzert“ in gleichmäßigem Rhythmus bestimmte Mengen an pulverigem Aluminiumoxid abzugeben. Das Pulver schmilzt und lagert sich geordnet zu einem kleinen Stab zusammen. Je nach Zugabe anderer Metalloxide werden in der Werkhalle Rubine oder Saphire sozusagen auf Bestellung produziert. In wenigen Stunden werden Materialien nachgebildet, für die die Natur Millionen Jahre gebraucht hat.

Die Geschichte des Lasers begann im Mai 1960 mit einem Rubin. Und seitdem erobert der Laser die Welt. Auch bei Ihnen zu Hause haben Sie sicher einen Laser, z. B. in einem DVD‐Player.Den ersten Festkörperlaser hat der Amerikaner Th. Maiman entwickelt. Dafür nahm er einen Rubinkristall, und zwar keinen natürlichen, sondern einen künstlichen. Und dies nicht wegen des Preises, sondern wegen der Zusammensetzung und der Reinheit.

Vielleicht befinden sich die bunten Varietäten von Korund in Ihrer Armbanduhr? Wenn die Uhr hochwertig ist, dann mit hoher Sicherheit. In der Uhrenindustrie finden Rubine und Saphire eine nicht zu unterschätzende Anwendung. Nehmen wir als Beispiel die Lager, die bei jeder mechanischen Uhr für bewegliche Teile notwendig sind. Auf bekannte Weise wird bei mechanischen Uhrwerken die gespeicherte potentielle Energie kontrolliert abgegeben und in eine Drehbewegung der Anzeigevorrichtung (meist Zeigerachsen) umgesetzt. Als Zeitgeber werden die Schwingungen eines Pendels, einer Feder mit Drehpendel (Unruh) oder eines Kristalls genutzt. Und in einer Uhr gibt es logischerweise viele bewegliche Teile.

Laser und hochwertige Uhren sind die wohl bekanntesten Anwendungen von Rubin und Saphir außerhalb der Schmuckindustrie. Bei weitem jedoch nicht die einzigen. Die beiden Edelkorunde werden verbreitet in der Technik verwendet, viel verbreiteter, als man vielleicht vermuten würde. Künstliche, gezüchtete Kristalle aus Aluminiumoxid sind sehr gefragte Werkstoffe für Hochtechnologieanwendungen.

Das industriell hergestellte künstliche Aluminiumoxid nennen wir Tonerde. Seine Eigenschaften sind aber mit denen des natürlichen Oxids, des Korunds, gleichzusetzen.Dabei ist der Begriff „Tonerde“ alt und nicht ganz eindeutig. Bis zum 19. Jahrhundert wurde Tonerde auch als Alaunerde bezeichnet. Heute wird der Name für verschiedene Arten des von uns künstlich hergestellten Aluminiumoxids gebraucht, auch gelegentlich für Aluminiumoxid‐Hydrate.

Bis ca. 1880 haben wir uns kaum für das Aluminiumoxid interessiert. Außer schöner und teurer Schmuckstücke aus Rubin oder Saphir fand es fast keine Anwendung.Die Erfindung von Verneuil über die Herstellung künstlicher Rubine und insbesondere die Erfindung einer industriell einsatzbaren Methode zur Herstellung von metallischem Aluminium haben das Interesse am Aluminiumoxid fast schlagartig geweckt. Der Amerikaner Ch. M. Hall und der Franzose P.L. Heroult haben, unabhängig voneinander, 1886 diese neue Methode vorgestellt. Sie beruht auf der Reduktion des Aluminiumoxids zum Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse. Da Aluminium rasant an Bedeutung gewann, gewann auch gleichzeitig Aluminiumoxid an Bedeutung. Nun wurden große Mengen des Oxids gebraucht. Aber woher sollte es kommen?

Um ein Missverständnis zu vermeiden: Das Bayer‐Verfahren hat nichts mit der weltbekannten chemischen Firma, die u. a. Aspirin produziert, zu tun. Es ist die wichtigste Herstellungsmethode von Aluminiumoxid, die nach seinem – relativ unbekannten – Erfinder benannt wurde.

Nur wenige wissen es, dass der heute weltweit eingesetzte erste Verfahrensschritt bei der industriellen Produktion von Aluminium eine österreichische Erfindung ist. Auf die Idee, den nassen Aufschluss von Bauxit mit Natronlauge für die Herstellung des Aluminiumoxids anzuwenden, kam der österreichische Chemiker Carl‐Josef Bayer (1847–1904).

Nach dem geschichtlichen Abstecher kommen wir zurück zur Herstellung des künstlichen Aluminiumoxids, der Tonerde. Wir waren gerade ans Ende des Bayer‐Prozesses gelangt und haben zuerst das Aluminiumoxid‐Hydrat (oder Aluminiumhydroxid) produziert.Damit sind wir bei dem zweiten Prozess, dem Kalzinationsprozess, bei dem aus dem Aluminiumhydroxid reines (das heißt entwässertes) Aluminiumoxid erzeugt wird.

Das Aluminiumoxid ist heute der wichtigste keramische Werkstoff und diese Spitzenstellung wird es noch eine Zeit behalten. Bevor wir uns weiter mit dem Aluminiumoxid beschäftigen, sind ein paar allgemeine Informationen über keramische Werkstoffe unumgänglich.Der Begriff „Keramik“ lässt sich nicht eindeutig definieren. Er ist jedoch gut bekannt. Jeder von uns kann problemlos einen keramischen Gegenstand nennen und auch einen zeigen.

Stellen wir uns vor, wir sind bei einer Firma, die keramische Erzeugnisse aus Aluminiumoxid produziert. Wie werden diese angefertigt? Wie wir bereits wissen, der Rohstoff liegt als Pulver vor, dies ergibt sich aus seiner Herstellungsmethode. Bei pulverigen Ausgangsstoffen wenden wir die Sintertechnik an. Hierbei, da Pulver noch kein richtiger Werkstoff ist, entstehen der Werkstoff und ein Produkt in einem einzigen Prozess. Dafür sind mehrere Verfahrensschritte notwendig, die hier nur kurz besprochen werden können.

Das ist eine gute Frage, insbesondere da wir Keramik gewöhnlich als ein sprödes Material wahrnehmen. Und die Antwort lautet: Die Aluminiumoxidkeramik ist belastbar, ihre Festigkeitskennwerte sind gut. Gleichzeitig ist diese Antwort jedoch unzureichend und sogar irreführend, da bei der Festigkeit die Art der Belastung unbedingt beachtet werden muss. Wie wirkt die Kraft: auf Zug oder auf Biegung oder auf Druck? Entsprechend benennen wir die Kennwerte als die Zugfestigkeit, die Biegefestigkeit und die Druckfestigkeit. Handelt es sich um eine schlagartige, schnelle Belastung oder um eine langsame, quasistatische Belastung?

Neben interessanten mechanischen Eigenschaften hat reine Aluminiumoxidkeramik, als ein optimal gesintertes Material mit einem dichten homogenen Gefüge, weitere vorteilhafte Seiten.

Das Aluminiumoxid wird gerne der „Allrounder“ oder auch das „Arbeitstier“ unter den keramischen Werkstoffen genannt. Wir wiederholen nochmals: Es ist mit großem Abstand der wichtigste keramische Werkstoff mit fast 80 % Marktanteilen. Diese Bezeichnungen und seine Spitzenstellung verdankt der Werkstoff seinen schon genannten Eigenschaften, und ebenso – auch das ist von großer Bedeutung – seinem niedrigen Preis oder besser gesagt seinem guten Preis/Leistungsverhältnis. Trotz der Entwicklung neuer Hochleistungskeramik, wie etwa auf der Basis von Siliziumkarbid und ‐nitrid, hält die Aluminiumoxidkeramik weiter ihre Marktstellung und findet in der Technik vielfältige Anwendung.

Ein kleines, aber wichtiges Teil aus Aluminiumoxidkeramik befindet sich in jedem Rasterelektronenmikroskop.Ein Rasterelektronenmikroskop (REM) ist ein hervorragendes Gerät, mit dem wir die Welt neu entdecken können. Die Informationsfülle, die wir mit seiner Hilfe bekommen, ist schier unermesslich.

Das Ganze ist mehr als die Summe der Teile – so lautet der Grundsatz bei Verbundwerkstoffen. Verbundwerkstoffe bestehen aus zwei oder mehr Materialien, die im Verbund Eigenschaftskombinationen aufweisen, die keiner der beteiligten Stoffe für sich alleine besitzt. Diese Idee wird auch erfolgreich bei keramischen Werkstoffen angewandt.Schlechte Eigenschaften der Aluminiumoxidkeramik, insbesondere ihre Sprödigkeit, können durch Einsatz geeigneter teilchen‐ und/oder faserförmiger Materialien verbessert werden. Diese moderne Methode wird als gezieltes Werkstoffdesign bezeichnet. Die auf diese Weise entstehenden Verbundwerkstoffe (Komposite) gewinnen ständig an Bedeutung.

Werkstoffe, die in der Medizintechnik Anwendung finden, liegen uns besonders am Herzen. Dass Aluminiumoxid eine gute Biokompatibilität hat und für Implantate verwendet wird, wissen wir bereits. Nun fragen wir: Für welche Implantate denn? Aus Aluminiumoxidkeramik werden vor allem Bestandteile von Hüftprothesen gemacht. Am bekanntesten ist das Hüftgelenkimplantat.

Am Ende eines Sachbuches gehört es sich, etwas Neues zum behandelten Thema zu schreiben.Dass natürliche Arten von Aluminiumoxid wie Rubine und Saphire transparent sind, wissen wir und es wundert uns eigentlich nicht. Aber künstliches, sintertechnisch hergestelltes Aluminiumoxid, das transparent ist? Ist so etwas möglich?