Das klingt ein wenig nach Alchemie: Man nehme einen Klumpen weißen Staub, drücke ihn in einer diamantbesetzten Druckkammer zusammen und sprenge ihn dann mit einem Laser. Öffnen Sie die Kammer und man findet darin einen neuen mikroskopisch kleinen reinen Diamanten.

Eine neue Studie der Stanford University und des SLAC National Accelerator Laboratory zeigt, wie diese Rezeptur bei sorgfältiger Abstimmung von Hitze und Druck aus einer Art von Wasserstoff- und Kohlenstoffmolekülen, die in Erdöl und Erdgas vorkommen, Diamanten herstellen kann.

“Das Spannende an dieser Arbeit ist, dass sie eine Möglichkeit aufzeigt, die Thermodynamik dessen zu täuschen, was normalerweise für die Diamantenbildung erforderlich ist”, sagte der Stanford-Geologe Rodney Ewing, ein Mitautor der Arbeit, der am 21. Februar in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde.

Wissenschaftler synthetisieren seit mehr als 60 Jahren Diamanten aus anderen Materialien, aber die Umwandlung erfordert in der Regel eine übermäßige Menge an Energie, Zeit oder die Zugabe eines Katalysators – oft ein Metall -, was die Qualität des Endprodukts beeinträchtigt. “Wir wollten nur ein sauberes System sehen, in dem sich eine einzige Substanz in reinen Diamanten verwandelt – ohne Katalysator”, sagte die Hauptautorin der Studie, Sulgiye Park, eine Postdoc-Forschungsstipendiatin an der Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth).

Das Verständnis der Mechanismen für diese Umwandlung wird für Anwendungen jenseits des Schmuckes wichtig sein. Die physikalischen Eigenschaften von Diamant – extreme Härte, optische Transparenz, chemische Stabilität, hohe Wärmeleitfähigkeit – machen ihn zu einem wertvollen Material für Medizin, Industrie, Quantencomputertechnologien und biologische Sensorik.

“Wenn man auch nur kleine Mengen dieses reinen Diamanten herstellen kann, dann kann man ihn auf kontrollierte Weise für bestimmte Anwendungen dotieren”, sagte Studienleiter Yu Lin, ein Wissenschaftler des Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) am SLAC National Accelerator Laboratory.

Ein natürliches Rezept

Natürliche Diamanten kristallisieren aus Kohlenstoff Hunderte von Meilen unter der Erdoberfläche, wo die Temperaturen Tausende von Grad Fahrenheit erreichen. Die meisten der bisher ausgegrabenen natürlichen Diamanten schossen bei Vulkanausbrüchen vor Millionen von Jahren in die Höhe und trugen uralte Mineralien aus dem tiefen Erdinneren mit sich.

Daher können Diamanten einen Einblick in die Bedingungen und Materialien im Inneren des Planeten geben. “Diamanten sind Gefäße, um Proben aus den tiefsten Teilen der Erde zurückzubringen”, sagte die Stanford-Mineralphysikerin Wendy Mao, die das Labor leitet, in dem Park die meisten Experimente der Studie durchführte.

Um Diamanten zu synthetisieren, begann das Forschungsteam mit drei Arten von Pulver, das aus mit Erdöl gefüllten Tankern raffiniert wurde. “Es ist eine winzige Menge”, sagte Mao. “Wir benutzen eine Nadel, um ein wenig davon aufzunehmen, um es für unsere Experimente unter ein Mikroskop zu bekommen.”

Auf den ersten Blick ähneln die geruchlosen, leicht klebrigen Pulver dem Steinsalz. Aber ein geschultes Auge, das durch ein leistungsstarkes Mikroskop schaut, kann Atome unterscheiden, die im gleichen räumlichen Muster angeordnet sind wie die Atome, aus denen der Diamantkristall besteht. Es ist, als ob das komplizierte Gitter des Diamanten in kleinere Einheiten zerhackt worden wäre, die aus einem, zwei oder drei Käfigen bestehen.

Im Gegensatz zu Diamant, der reiner Kohlenstoff ist, enthalten die Pulver – die so genannten Diamondos – auch Wasserstoff. “Ausgehend von diesen Bausteinen”, so Mao, “kann man Diamanten schneller und einfacher herstellen, und man kann den Prozess auch auf eine vollständigere, durchdachtere Weise kennen lernen, als wenn man nur den hohen Druck und die hohe Temperatur nachahmt, die in dem Teil der Erde herrschen, in dem sich Diamanten natürlich bilden.

Diamanten unter Druck

Die Forscher luden die Diamantproben in eine pflaumengroße Druckkammer, eine so genannte Diamant-Ambosszelle, die das Pulver zwischen zwei geschliffene Diamanten drückt. Mit einer einfachen Handbewegung an einer Schraube kann das Gerät einen Druck erzeugen, wie er im Zentrum der Erde herrschen könnte.

Als nächstes erhitzten sie die Proben mit einem Laser, untersuchten die Ergebnisse mit einer Reihe von Tests und führten Computermodelle durch, um den Verlauf der Transformation zu erklären. “Eine grundlegende Frage, die wir zu beantworten versuchten, ist, ob die Struktur oder die Anzahl der Käfige Einfluss darauf hat, wie sich die Diamanten in Diamanten verwandeln”, sagte Lin. Sie fanden heraus, dass sich der Dreikäfig-Diamant, Triamantan genannt, mit überraschend wenig Energie in Diamant umwandeln kann.

Bei 900 Kelvin – das entspricht etwa 1160 Grad Fahrenheit oder der Temperatur von glühender Lava – und 20 Gigapascal, einem Druck, der hunderttausend Mal höher ist als der der Erdatmosphäre, richten sich die Kohlenstoffatome des Triamantans aus, und sein Wasserstoff zerstreut sich oder fällt ab.

Die Umwandlung entfaltet sich in den dünnsten Sekundenbruchteilen. Sie ist auch direkt: Die Atome durchqueren auf ihrem Weg zur Diamantherstellung keine andere Form von Kohlenstoff, wie zum Beispiel Graphit.

Die winzige Probengröße im Inneren einer Diamant-Ambosszelle macht diesen Ansatz für die Synthese von viel mehr als den Diamantflecken, die das Stanford-Team im Labor hergestellt hat, unpraktisch, sagte Mao. “Aber jetzt wissen wir ein wenig mehr über die Schlüssel zur Herstellung reiner Diamanten.”

Quelle/Sender: SLAC