Corundum

Korund ist eine kristalline Form von Aluminiumoxid (Al₂O₃), die meist Spuren von Eisen, Titan, Vanadium und Chrom enthält. Als gesteinsbildendes Mineral ist es von Natur aus durchsichtig, nimmt aber je nach den in seiner Kristallstruktur enthaltenen Übergangsmetallverunreinigungen unterschiedliche Farben an. Seine beiden wichtigsten Edelsteinvarietäten sind Rubin und Saphir. Rubin erhält seine rote Farbe durch Chrom, während Saphir je nach dem spezifischen Übergangsmetall in vielen Farben erscheinen kann; eine seltene rosarote Varietät ist als Padparadscha-Saphir bekannt. Der Name „Korund“ stammt vom tamilisch-dravidischen Wort kurundam (bedeutet Rubin-Saphir), das auch im Sanskrit als kuruvinda vorkommt. Dank seiner Härte – reiner Korund erreicht 9,0 auf der Mohs-Skala – kann er fast alle anderen Minerale ritzen. Schmirgel, eine schwarze, körnige Form von Korund ohne Edelsteinwert, ist mit Magnetit, Hämatit oder Hercynit vermischt und wird häufig als Schleifmittel auf Schleifpapier und für große Werkzeuge zur Bearbeitung von Metallen, Kunststoffen und Holz verwendet. Korund hat außerdem eine Dichte von 4,02 g/cm³ (251 lb/cu ft), was für ein durchsichtiges Mineral aus Elementen mit niedriger Atommasse wie Aluminium und Sauerstoff ungewöhnlich hoch ist. Korund bildet sich in metamorphen Umgebungen wie Glimmerschiefer, Gneis und einigen Marmoren. Er kommt auch in kieselsäurearmen magmatischen Gesteinen wie Syenit- und Nephelinsyenit-Intrusionen vor, sowie in Massen neben ultramafischen Intrusivgesteinen, zusammen mit Lamprophyr-Gängen und als große Kristalle in Pegmatiten. Aufgrund seiner Härte und Verwitterungsbeständigkeit tritt er häufig als detritisches Mineral in Fluss- und Strandsanden auf. Der größte dokumentierte natürliche Einkristall aus Korund maß etwa 65 cm × 40 cm × 40 cm und wog 152 kg (335 lb), obwohl dieser Rekord inzwischen von bestimmten synthetischen Boules übertroffen wurde. Schleifmittel-Korund wird in Simbabwe, Pakistan, Afghanistan, Russland, Sri Lanka und Indien abgebaut. Historisch wurde er aus Lagerstätten in Verbindung mit Dunit in North Carolina, USA, und aus einem Nephelinsyenit in Craigmont, Ontario, gewonnen. Schmirgel-Korund findet sich auf der griechischen Insel Naxos und bei Peekskill, New York, USA. Synthetischer Schleifmittel-Korund wird aus Bauxit hergestellt. Vier Korundäxte aus der Zeit um 2500 v. Chr., aus der Liangzhu-Kultur und der Sanxingcun-Kultur Chinas (letztere im Bezirk Jintan), wurden entdeckt. Im Jahr 1837 stellte Marc Antoine Gaudin die ersten synthetischen Rubine her, indem er Aluminiumoxid mit einer kleinen Menge Chrom als Farbstoff erhitzte. 1847 stellte J. J. Ebelmen weiße synthetische Saphire her, indem er Aluminiumoxid in Borsäure reagieren ließ. 1877 stellten Frenic und Freil kristallinen Korund her, aus dem kleine Steine geschliffen werden konnten. Frimy und Auguste Verneuil stellten künstlichen Rubin her, indem sie BaF₂ und Al₂O₃ mit geringen Chrommengen bei Temperaturen über 2.000 °C (3.630 °F) verschmolzen. 1903 kündigte Verneuil ein kommerzielles Flammenschmelzverfahren für synthetische Rubine an. Diese Flammenschmelzmethode ermöglicht die Herstellung fehlerfreier Einkristall-Saphir- und Rubin-Edelsteine, die viel größer sind als in der Natur vorkommende. Synthetischer Korund in Edelsteinqualität kann auch durch Flussmittelwachstum und hydrothermale Synthese hergestellt werden. Da die Syntheseverfahren einfach sind, sind große Mengen dieser Kristalle heute zu einem Bruchteil der Kosten natürlicher Steine auf dem Markt erhältlich. Synthetischer Korund hat eine geringere Umweltbelastung als natürlicher Korund, da er zerstörerischen Bergbau vermeidet und Ressourcen schont, aber seine Herstellung ist energieintensiv – was bei Nutzung fossiler Brennstoffe zu Kohlenstoffemissionen beiträgt – und beinhaltet Chemikalien, die Risiken bergen können. Neben dekorativen Zwecken wird synthetischer Korund in mechanischen Teilen (Rohre, Stäbe, Lager und bearbeitete Komponenten), kratzfesten Optiken, kratzfesten Uhrengläsern, Instrumentenfenstern für Satelliten und Raumfahrzeuge (aufgrund seiner Transparenz von Ultraviolett bis Infrarot) sowie in Laserkomponenten verwendet. Beispielsweise bestehen die Hauptspiegel des Gravitationswellendetektors KAGRA aus 23 kg (50 lb) schweren Saphiren, und Advanced LIGO erwog 40 kg (88 lb) schwere Saphirspiegel. Korund wird aufgrund seiner hohen Härte auch in Keramikpanzerungen verwendet. Korund kristallisiert mit trigonaler Symmetrie in der Raumgruppe R3c, mit Gitterparametern a = 4,75 Å und c = 12,982 Å unter Standardbedingungen. Seine Elementarzelle enthält sechs Formeleinheiten. Die Zähigkeit von Korund hängt von der Oberflächenrauheit und der kristallografischen Orientierung ab und liegt zwischen 6–7 MPa·m¹/² für synthetische Kristalle und etwa 4 MPa·m¹/² für natürliche. In seinem Gitter bilden Sauerstoffatome eine leicht verzerrte hexagonale dichteste Kugelpackung, wobei zwei Drittel der Oktaederlücken von Aluminiumionen besetzt sind. Das Fehlen von Aluminium an einer der drei Positionen bricht die Symmetrie der hexagonalen dichtesten Kugelpackung, reduziert die Raumgruppe auf R3c und die Kristallklasse auf trigonal, sodass die Struktur manchmal als pseudohexagonal beschrieben wird. Der Elastizitätsmodul von Korund (Saphir) wurde zwischen 300 und 500 GPa angegeben, mit einem häufig zitierten Wert von 345 GPa. Er ist temperaturabhängig: in [0001]-Richtung beträgt er 435 GPa bei 323 K und 386 GPa bei 1.273 K. Der Schubmodul beträgt 145 GPa und der Kompressionsmodul 240 GPa. Einkristalline Korundfasern, die Potenzial in Hochtemperatur-Verbundwerkstoffen haben, zeigen einen Elastizitätsmodul, der stark von der kristallografischen Orientierung entlang der Faserachse abhängt und ein Maximum von 461 GPa erreicht.