Nicole Bonk von der Universität Koblenz hat in Pittsburgh den Diamond Award des weltweiten Wettbewerbs „Graduate Excellence in Materials Science“ (GEMS) erhalten. Ausgezeichnet wurde ihre Masterarbeit über mineralische Bestandteile in Spezialzementen für hitzebeständige Keramiken.

Die Ehrung fand während der 128. Jahrestagung der American Ceramic Society (ACerS) in Pittsburgh, Pennsylvania, statt. Bonks Arbeit gehört damit zu den drei weltweit besten eingereichten Arbeiten im Bereich Keramik. Der Diamond Award zählt zu den höchsten Auszeichnungen für Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler in der Materialwissenschaft.

Vom Zement zur Feuerfestkeramik

In ihrer Masterarbeit untersuchte Bonk mit Festkörper-Kernspinresonanzspektroskopie mineralogische Phasenentwicklungen in Bindezementen für Feuerfestkeramiken während der Hydration. Die Methode analysiert die Anordnung und Verknüpfung von Atomen in festen Materialien und macht chemische Umwandlungsprozesse im Zement sichtbar, die mit bloßem Auge oder klassischen Verfahren nur schwer zu erfassen sind.

Die untersuchten Zemente dienen als Bindemittel für extrem hitzebeständige Keramiken. Solche Feuerfestkeramiken kommen unter anderem in Hochöfen und Industrieanlagen zum Einsatz, wo sie extremer Hitze standhalten müssen. Klingt zunächst nach einem ziemlich trockenen Spezialgebiet – tatsächlich entscheidet die Zusammensetzung solcher Materialien aber darüber, ob industrielle Prozesse zuverlässig funktionieren.

Bonk promoviert inzwischen in der Arbeitsgruppe Technische Chemie und Korrosionswissenschaften von Prof. Dr. Dr. h. c. Peter Quirmbach. Außerdem gehört sie zum Graduiertenkolleg „Max-von-Laue Institute of Ceramic Materials“ (CerMaX), einer Kooperation der Universität Koblenz, der Hochschule Koblenz und des Forschungsinstituts für Glas und Keramik in Höhr-Grenzhausen. Das Kolleg erforscht keramische Materialien international und interdisziplinär.

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Zwei Auswahlrunden, zehn Auszeichnungen

Der GEMS-Wettbewerb wird von der Basic Science Division der ACerS in einem zweistufigen Verfahren organisiert. Zunächst bewertet eine Fachjury materialwissenschaftliche Konzepte, die Qualität der Analytik und die Bedeutung für die keramische Grundlagenforschung. Danach beurteilt sie bei einer Präsentation vor Ort die wissenschaftliche Leistung, den Innovationsanspruch und die Vortragsqualität.

Insgesamt vergibt die Jury zehn Plätze: drei Diamond Awards für die besten Platzierungen und sieben Sapphire Awards. Bewertet werden Arbeiten aus der ganzen Welt. Für Bonk ist die Auszeichnung nicht der erste Erfolg mit ihrer Forschung: Bereits im Dezember 2024 erhielt sie den ersten Preis des Theodor-Haase-Preises der TU Bergakademie Freiberg für die beste deutsche Abschlussarbeit im Bereich Feuerfestkeramik.

Der Diamond Award ist für die Universität Koblenz ebenfalls kein Neuland mehr. Bonks Auszeichnung ist der zweite für eine dort ausgebildete Person aus der Keramikwissenschaft. Schon 2020 erhielt Dr. Dominik Hahn denselben Preis. Hahn promovierte im Bereich Keramik an der Universität Koblenz; seine Dissertation wurde von Prof. Dr. Dr. h. c. Peter Quirmbach und Prof. Dr. Joachim Scholz betreut.

Die gemeinsame Jahrestagung der in den USA aktiven materialwissenschaftlichen Fachgesellschaften findet jährlich statt. Beteiligt sind die Minerals, Metals & Materials Society (TMS), die Association for Iron and Steel (AIST) und die American Ceramic Society. Die ACerS hat weltweit rund 12.000 Mitglieder und arbeitet mit elf thematischen Divisionen an der Schnittstelle von Forschung, Lehre und Industrie.

Ein Werkstoff mit sehr langer Geschichte

Keramik gehört zu den kulturell bedeutendsten Werkstoffen der Menschheit. Das älteste keramische Fundstück, die Venus von Dolní Věstonice, entstand schätzungsweise vor etwa 30.000 Jahren. Während damals vor allem Formen, Brennen und Haltbarkeit im Mittelpunkt standen, wird die Entwicklung keramischer Werkstoffe bis heute fortgesetzt – inzwischen mit Eigenschaften, die sich gezielt einstellen lassen.

Technische Keramik wird in drei Bereiche unterteilt: Feuerfestwerkstoffe, Funktionskeramik und Strukturkeramik. Hinzu kommen Silicatkeramiken für alltägliche Anwendungen sowie Verbundwerkstoffe aus Keramik und Metallen oder Kunststoffen. Isolierendes Elektroporzellan ermöglichte die Elektrizitätsversorgung in Haushalten, korrosionsbeständiges Steinzeug die großtechnische Herstellung und Nutzung von Säuren und Laugen. Feuerfeste keramische Werkstoffe werden außerdem für die Herstellung von Metallen und Gläsern durch Schmelzprozesse benötigt.

Moderne Hochleistungskeramiken können mechanische, thermische, chemische, elektronische und biologische Eigenschaften besitzen, die gezielt angepasst werden. In der Energietechnik stecken sie etwa in Brennstoffzellen und Wärmetauschern. Die Elektrotechnik nutzt sie für Gehäuse, Kondensatoren, Mikrochipträger, Sensoren, Aktoren, Varistoren und Leistungsschalter. Als Biokeramik finden sie sich in Hüftgelenksprothesen, Zahnimplantaten und Knochenersatz.

Auch im Automotive-Bereich tauchen sie auf: als Katalysatorträger, Dieselrußfilter, Kipphebelbeläge, Portliner, Turbolader und Auslassventile. In der Fertigungstechnik werden keramische Werkstoffe zu Schneidwerkzeugen und Schleifstoffen verarbeitet, im Maschinenbau zu Gleitlagern und Piezostellgliedern.

Bei Verbundwerkstoffen werden Materialien kombiniert, um meist die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Für keramische Werkstoffe kommen dafür insbesondere Kunststoffe oder Metalle infrage. Die entstehenden Verbünde sollen eine hohe Steifigkeit, ausreichende Hochtemperaturbeständigkeit und ein geringes spezifisches Bauteilgewicht erreichen. Metall-Keramik- und Keramik-Keramikfaser-Komposite sind deshalb besonders für die Luft- und Raumfahrt interessant.

Forschung zwischen Hochtemperatur und Praxis

Am Institut für Gesteinshüttenkunde arbeiten die Gruppen Hochtemperaturmesstechnik und Thermodynamik, Feuerfeste Werkstoffe sowie Sol-Gel-Beschichtungen. Sie untersuchen grundlegende und anwendungsbezogene Fragestellungen zu keramischen Werkstoffen und bieten Kooperationspartnern fachgruppenübergreifende Expertise an.

Bonks Arbeit liegt genau in diesem Spannungsfeld: winzige atomare Anordnungen, die unter der Messmethode sichtbar werden, und Materialien, die später in Hochöfen oder Industrieanlagen mit gewaltiger Hitze klarkommen müssen. In Pittsburgh wurde daraus nun ein Diamond Award.