Chemie: Erstmals konnten Diamanten unter Normaldruck erzeugt werden
Diamanten entstehen unter hohem Druck. Natürlich vorkommende Diamanten entstanden bei Temperaturen von 900 bis 1.400 Grad und einem Druck von fünf bis sechs Gigapascal in 150 bis 200 Kilometern Tiefen im oberen Erdmantel. Große und besonders wertvolle Diamanten wie der Cullinan entstanden gar in noch größerer Tiefe. Bei der synthetischen Herstellung von Diamanten werden diese Bedingungen nachgebildet. Chemiker:innen gelang es nun jedoch, auf das Element des Drucks zu verzichten und Diamanten bei Normaldruck zu züchten. Dafür nutzten sie eine Mischung bestimmter Metalle.
Diamantenherstellung ohne Druck
Durchgeführt wurde das Experiment von Chemiker:innen rund um Yan Gong vom Institut für Grundlagenforschung in Ulsan in Südkorea. Das Team wollte herausfinden, ob die Methode, die für die meisten synthetischen Diamanten genutzt wird, auch ohne den hohen Druck funktionieren kann. „Jüngste Studien haben gezeigt, dass bestimmte Metalle und Legierungen, darunter in Gallium, Zinn, Blei, Indium oder Gallium gelöstes Nickel, Palladium und Platin, Methan in Wasserstoff und festen Kohlenstoff umwandeln können„, so die Forscher:innen.
Dank der Metallmischung können die C-H-Bindungen im Methan leichter gespalten werden. Dabei wird elementarer Kohlenstoff frei. Bei zu niedrigem Druck bildete sich bisher allerdings Graphit statt Diamant. Die Chemiker:innen wollten daher herausfinden, ob sich die Bedingungen so optimieren lassen, dass auch ohne hohen Druck Diamanten entstehen. Zu diesem Zweck entwarfen sie eine Vakuumkammer, in der sie dann Hunderte verschiedene Kombinationen aus Parametern testeten.
Auf der Suche nach der besten Mischung
Bei den Tests kamen verschiedene Metalllegierungen sowie ein Graphittiegel zum Einsatz. Außerdem wurde Methan und Wasserstoff zugesetzt. Und tatsächlich verlief der Test erfolgreich: „Als ich eines Tages den Graphittiegel abkühlte und das erhärtete Metall herausnahm, bemerkte ich ein Regenbogen-Schimmern an seiner Unterseite. Wir fanden heraus, dass diese Regenbogenfarben durch Diamanten erzeugt wurden„, so Gong. Dieser polykristalline, reine Diamant entstand ohne Graphitbeimischung unter Normaldruck an der Grenzschicht zwischen dem Metallbad und dem Graphit.
Die optimalen Bedingungen herrschten dabei in einem 1.175 Grad heißem Metallbad, das aus 77,75 Prozent Galliem, 11 Prozent Nickel, 11 Prozent Eisen und 0,25 Prozent Silizium, in das dann eine Mischung aus Methan und Wasserstoff eingeleitet wird. Nach etwa einer Viertelstunde wachsen an der Grenzschicht zwischen dem Metall und dem Graphittiegel die ersten Diamantkristalle. Den Forschern gelang damit eine Weltpremiere: Die Herstellung künstlicher Diamanten ohne hohen Druck.
Maßgeschneiderte Diamanten
Das Team geht davon aus, dass der Temperaturunterschied im Metallbad ausschlaggebend für die Bildung der Diamantkristalle ist. Da die Mitte des Tiegels kühler ist als seine Ränder, konzentrieren sich die Kohlenstoffatome im zentralen Teil der Grenzschicht. Eine Übersättigung führt dann zur Kristallisation. Für die Entstehung der Diamanten ist auch das Silizium entscheidend. Nur bei perfekter Dosierung entstehen große Kristalle.
„Unsere Entdeckung des Kristallisierens und Wachstums von Diamant in diesem flüssigen Metallbad ist faszinierend und bietet viele spannende Möglichkeiten„, so Rodney Ruoff vom Institut für Grundlagenforschung, der an dem Versuch beteiligt war. Außerdem stellte sich heraus, dass auch andere Metalle eine Eignung als „Zuchtbad“ besitzen: „Diamanten hoher Qualität können auch gezüchtet werden, wenn man Nickel durch Kobalt ersetzt oder Gallium durch eine Gallium-Indium-Mischung„, erklärt Ruoff.
Die so erzeugten Diamanten sind sowohl sehr rein, sondern enthalten auch sogenannte Silizium-Fehlstellen in ihrem Atomgitter. Derartige Fehlstellen sind für die Färbung mancher Diamanten verantwortlich, können ihnen aber auch besondere elektronische oder quantenphysikalische Eigenschaften verleihen. „Die synthetische Diamanten mit Silizium-Fehlstellen könnten beispielsweise für Quantencomputer und Magnetsensoren eingesetzt werden„, so Meihui Wang, der ebenfalls beteiligt war. Es wäre auch möglich, durch gezielten Zusatz anderer Elemente zum Metallbad gezielt bestimmte Fehlstellen für spezielle Anwendungen zu erzeugen.
