In der Natur bilden sich Diamanten über Milliarden von Jahren tief in der Erde. Dieser Prozess erfordert Umgebungen mit außergewöhnlich hohem Druck und Temperaturen über 1.000 ℃.

Unser internationales Team hat zwei verschiedene Arten von Diamanten bei Raumtemperatur hergestellt — und das in wenigen Minuten. Es ist das erste Mal, dass Diamanten erfolgreich in einem Labor ohne zusätzliche Wärme hergestellt wurden.

Unsere Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Small veröffentlicht.

Es gibt mehr als eine Form von Diamant

Kohlenstoffatome können sich auf verschiedene Arten miteinander verbinden, um verschiedene Materialien zu bilden, darunter weicher schwarzer Graphit und harter transparenter Diamant.

Es gibt viele bekannte Formen von Kohlenstoff mit graphitähnlicher Bindung, einschließlich Graphen, dem dünnsten Material, das jemals gemessen wurde. Aber wussten Sie, dass es auch mehr als eine Art von kohlenstoffbasiertem Material mit diamantähnlicher Bindung gibt?

In einem normalen Diamanten sind Atome in einer kubischen Kristallstruktur angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, diese Kohlenstoffatome so anzuordnen, dass sie eine hexagonale Kristallstruktur aufweisen. Diese andere Form von Diamant heißt Lonsdaleit, benannt nach der irischen Kristallographin und Fellow der Royal Society Kathleen Lonsdale, die die Struktur von Kohlenstoff mit Röntgenstrahlen untersuchte.

Es gibt viel Interesse an Lonsdaleit, da es vorhergesagt wird, dass es 58% härter ist als normaler Diamant — der bereits als das härteste natürlich vorkommende Material auf der Erde gilt.

Es wurde zuerst in der Natur an der Stelle des Canyon Diablo Meteoritenkraters in Arizona entdeckt. Winzige Mengen der Substanz wurden seitdem in Labors synthetisiert, indem Graphit entweder mit einer Hochdruckpresse oder mit Sprengstoffen erhitzt und komprimiert wurde.Unsere Forschung zeigt, dass sowohl Lonsdaleit als auch normaler Diamant bei Raumtemperatur in einer Laborumgebung gebildet werden können, indem nur hoher Druck angewendet wird.

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Die vielen Möglichkeiten, einen Diamanten herzustellen

Diamanten werden seit 1954 in Laboratorien synthetisiert. Dann schuf Tracy Hall von General Electric sie mit einem Prozess, der die natürlichen Bedingungen in der Erdkruste nachahmte und metallische Katalysatoren hinzufügte, um den Wachstumsprozess zu beschleunigen. Das Ergebnis waren Hochdruck- und Hochtemperaturdiamanten, die denen in der Natur ähneln, aber oft kleiner und weniger perfekt sind. Diese werden noch heute hauptsächlich für industrielle Anwendungen hergestellt. Die andere Hauptmethode der Diamantherstellung ist ein chemischer Gasprozess, bei dem ein kleiner Diamant als „Samen“ verwendet wird, um größere Diamanten zu züchten. Temperaturen von ungefähr 800℃ werden angefordert. Während das Wachstum ziemlich langsam ist, können diese Diamanten groß und relativ fehlerfrei gezüchtet werden.Die Natur hat Hinweise auf andere Möglichkeiten zur Bildung von Diamanten gegeben, unter anderem beim heftigen Einschlag von Meteoriten auf der Erde sowie bei Prozessen wie Hochgeschwindigkeits-Asteroidenkollisionen in unserem Sonnensystem – was wir „außerirdische Diamanten“ nennen.

Wissenschaftler haben versucht, genau zu verstehen, wie sich Einschlag oder außerirdische Diamanten bilden. Es gibt Hinweise darauf, dass neben hohen Temperaturen und Drücken auch Gleitkräfte (auch als „Scherkräfte“ bezeichnet) eine wichtige Rolle bei der Auslösung ihrer Bildung spielen könnten.

Ein Objekt, das von Scherkräften getroffen wird, wird oben in eine Richtung und unten in die entgegengesetzte Richtung gedrückt.

Ein Beispiel wäre, ein Kartenspiel oben nach links und unten nach rechts zu schieben. Dies würde das Deck zwingen, zu gleiten und die Karten zu verbreiten. Daher werden Scherkräfte auch als „gleitende“ Kräfte bezeichnet.

Herstellung von Diamanten bei Raumtemperatur

Für unsere Arbeit entwarfen wir ein Experiment, bei dem ein kleiner Chip aus graphitähnlichem Kohlenstoff sowohl extremen Scherkräften als auch hohen Drücken ausgesetzt wurde, um die Bildung von Diamanten zu fördern.

Im Gegensatz zu den meisten früheren Arbeiten an dieser Front wurde die Kohlenstoffprobe während der Kompression nicht zusätzlich erhitzt. Unter Verwendung der modernen Elektronenmikroskopie – eine Technik, die verwendet wird, um sehr hochauflösende Bilder gefangenzunehmen – wurde die resultierende Probe gefunden, um regelmäßigen Diamanten und Lonsdaleit zu enthalten. In dieser nie zuvor gesehenen Anordnung war ein dünner „Fluss“ aus Diamant (etwa 200 mal kleiner als ein menschliches Haar) von einem „Meer“ aus Lonsdaleit umgeben.

Die Anordnung der Struktur erinnert an „Scherstreifen“, die in anderen Materialien beobachtet werden, wobei ein schmaler Bereich starken, lokalisierten Belastungen ausgesetzt ist. Dies deutet darauf hin, dass Scherkräfte der Schlüssel zur Bildung dieser Diamanten bei Raumtemperatur waren.

Harte Nüsse zum Knacken

Die Fähigkeit, Diamanten bei Raumtemperatur in wenigen Minuten herzustellen, eröffnet zahlreiche Herstellungsmöglichkeiten.

Speziell den Lonsdaleit „härter als Diamant“ auf diese Weise herzustellen, ist eine aufregende Neuigkeit für Branchen, in denen extrem harte Materialien benötigt werden. Zum Beispiel wird Diamant verwendet, um Bohrer und Klingen zu beschichten, um die Lebensdauer dieser Werkzeuge zu verlängern.

Die nächste Herausforderung für uns besteht darin, den Druck zu senken, der zur Bildung der Diamanten erforderlich ist.

In unserer Forschung betrug der niedrigste Druck bei Raumtemperatur, bei dem beobachtet wurde, dass sich Diamanten gebildet haben, 80 Gigapascal. Dies entspricht 640 afrikanischen Elefanten auf der Spitze eines Ballettschuhs!

Wenn sowohl Diamant als auch Lonsdaleit bei niedrigeren Drücken hergestellt werden könnten, könnten wir mehr daraus machen, schneller und billiger.

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