Neues Modell erklärt endlich die Widersprüche bei Diamantenwachstum

Jeder hat ein Bild im Kopf: Diamanten entstehen tief in der Erde, bei enormem Druck und Hitze. Doch wie genau das passiert, war lange unklar. Eine neue Studie löst nun das Rätsel widersprüchlicher Experimente rund um die Diamantbildung.

Wenn sich Diamantbildung plötzlich anders verhält

Tief unter der Erde, wo Druck und Hitze jedes Material verwandeln, entstehen über Jahrmillionen die härtesten Edelsteine der Welt: Diamanten. Ihr Ursprung galt lange als genau erforscht - und lässt sich heute sogar künstlich nachahmen. Doch eine zentrale Frage blieb offen: Warum widersprechen sich viele Experimente zur Kristallisation von Kohlenstoff selbst unter kontrollierten Bedingungen?

Was die Natur tief im Erdmantel vorgibt, versuchen Labore weltweit nachzuvollziehen - nicht nur technisch, sondern auch physikalisch. Zwar gelingt es längst, Diamanten gezielt zu züchten, etwa in Hochdruckpressen oder durch Gasabscheidung. Aber wenn Forscher untersuchen, wie flüssiger Kohlenstoff unter extremen Bedingungen von selbst kristallisiert, stoßen sie auf eine überraschende Unsicherheit: Mal bildet sich Diamant, mal Grafit, manchmal beides - selbst wenn Temperatur und Druck exakt gleich eingestellt sind.


Ein Forscherteam um Davide Donadio hat nun mithilfe KI-gestützter Molekulardynamik enthüllt, was in diesen Experimenten oft übersehen wurde. In ihren Simulationen bildete sich häufig nicht Diamant, obwohl dieser unter diesen Bedingungen eigentlich stabil wäre - sondern Grafit, der sich zunächst durchsetzt, obwohl er langfristig nicht der stabilste Zustand ist. Physiker sprechen hier von einem metastabilen Kristall. Das ist kein Fehler, sondern folgt einem physikalischen Prinzip: Ostwalds Stufenregel.

Diese Regel besagt, dass sich beim Abkühlen aus der Schmelze nicht immer sofort die stabilste Kristallphase bildet - sondern zunächst jene, die am leichtesten zugänglich ist. Im Fall von Kohlenstoff bedeutet das: Bei Drücken bis etwa 15 GPa liegt die Dichte der Flüssigkeit näher an der von Grafit als an der von Diamant. Die Energiebarriere zur Grafitkristallisation ist niedriger - das macht ihn zur schnelleren, aber nicht zur besten Wahl. Der Kristall ist metastabil: schnell gebildet, aber theoretisch "überholbar".

Mit KI verstanden

Mithilfe von KI-gestützten Simulationen haben die Forscher systematisch untersucht, unter welchen Bedingungen sich flüssiger Kohlenstoff in Diamant oder Grafit verwandelt - und dabei einen besonders kritischen Bereich neu vermessen: die Zone, in der alle drei Zustände zugleich existieren können. Dabei beobachteten sie zwei völlig unterschiedliche Kristallisationsmechanismen: Diamant entsteht dabei auf direktem Weg: Aus der dichten Schmelze wachsen gleichmäßig geformte Kristallkeime - kompakt, kugelförmig und stabil.

Grafit dagegen bildet sich in zwei Schritten: Zuerst entstehen lockere Bereiche mit geringerer Dichte, in denen sich dann die typischen wabenartigen Schichten stapeln. Diese grundlegenden Unterschiede im Ablauf erklären, warum frühere Experimente oft widersprüchliche Ergebnisse lieferten - je nachdem, welcher der beiden Wege sich gerade durchsetzte. Die Studie, veröffentlicht in Nature, zeigt damit erstmals, dass selbst in einem scheinbar einfachen System wie reinem Kohlenstoff zwei konkurrierende Kristallisationsprozesse nebeneinander möglich sind - je nachdem, welcher Zustand leichter zu erreichen ist.

Nicht immer setzt sich die stabilste Form durch: Manchmal folgt das System dem energetisch bequemeren Weg - auch wenn er nur ein Zwischenschritt ist. Das liefert eine neue Erklärung für viele widersprüchliche Beobachtungen früherer Experimente - und rückt metastabile Phasen ins Zentrum der Materialforschung.


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