Damasceens staal dankt eigenschappen aan nanobuisjes

Het staal van de bij Kruisvaarders beruchte Damasceense zwaarden heeft zijn uitzonderlijke eigenschappen te danken aan zijn gelaagde microstructuur. Volgens Duitse onderzoekers spelen koolstof nanobuisjes (buckybuisjes) een belangrijk rol bij de vorming daarvan. Daarmee zou de ontrafeling van het fabricagegeheim van deze zwaarden, dat sinds het midden van de achttiende eeuw verloren is, een stap dichterbij zijn gekomen (Nature, 16 november).

Afhankelijk van de hoeveelheid koolstof die aan ijzer wordt toegevoegd, is het verkregen staal flexibel (bij minder dan 0,5 procent koolstof), of juist hard en bros (bij 2 procent koolstof). Dit laatste is een gevolg van de vorming van ijzercarbides. In Damasceens staal zijn deze twee eigenschappen gecombineerd, waardoor het bij uitstek geschikt was voor het maken van zwaarden: die hebben een harde en vlijmscherpe snijkant, terwijl het blad toch flexibel blijft. Algemeen wordt aangenomen dat Damasceense zwaarden werden gesmeed uit zogeheten ‘wootz-staal’ afkomstig uit India. Dit ontstaat door een mengsel van ijzer, koolstof en glas te verhitten. Het glas bindt de verontreinigingen in het metaal, en zorgt ervoor dat ze boven komen drijven, waardoor er een zuiverder staal achterblijft met een relatief hoge koolstofconcentratie. Maar hoe de smeden het voor elkaar kregen om het aanwezige ijzercarbide zich in dunne lagen te laten ophopen aan het oppervlak, waarmee ze het staal tegelijk zijn karakteristieke golfpatronen verschaften, is nog altijd onbekend.

Peter Paufler en zijn collega’s van de technische universiteit van Dresden hebben daarom een staalmonster van een zeventiende-eeuws Damasceens zwaard met de elektronenmicroscoop geanalyseerd. Dat was weliswaar al eerder gedaan, maar zonder veel succes. Paufler loste echter eerst het ijzer op in zoutzuur. Daardoor kwamen koolstof nanobuisjes aan het licht die volgens hem hebben bijgedragen aan de vorming van nanodraden van ijzercarbide. Voor een deel bleken deze zelfs door de buisjes te zijn ingekapseld. Dit soort gecombineerde structuren zou heel goed de voor Damasceens staal karakteristieke golfpatronen kunnen verklaren. Hoe de nanobuisjes zijn gevormd is nog onbekend, al speculeren de onderzoekers dat dit samen zou kunnen hangen met de aanwezigheid in Indiase ertsen van bepaalde zeldzame-aard metalen die als katalysator voor de vorming kunnen dienen. Met het opraken van de voorraden van dit speciale ijzererts, zou tegelijk de mogelijkheid om nanobuisjes te vormen zijn afgesloten en zou daarmee de kunst van het maken van dit speciale staal verloren zijn gegaan.

Rob van den Berg