Team erschafft seit Jahrzehnten vorhergesagten "Super-Diamanten"
Hexagonaler Diamant - in der Natur in Spuren zu finden, im Labor jahrzehntelang nur ein Ziel auf dem Papier. Nun haben Forscher den Weg gefunden, diesen "Super-Diamanten" erstmals in reiner, stabiler Form herzustellen.
In einer aktuellen Studie ist es jetzt gelungen, dieses Material erstmals in größerer, reiner Form gezielt herzustellen. Ausgangspunkt waren hochreine Grafit-Einkristalle, gepresst und erhitzt unter Bedingungen, die dem Druck im Inneren der Erde ähneln. Entscheidend war ein quasi-hydrostatisches Verfahren: Der Druck wurde so gleichmäßig wie möglich aus allen Richtungen auf das Material ausgeübt - ähnlich wie der gleichmäßige Druck einer Flüssigkeit unter Wasser -, um Spannungsrisse zu vermeiden und den Umwandlungsprozess sauber zu steuern.
Das Ergebnis sind "Bulk Hexagonal Diamonds" - Kristalle von 100 Mikrometern bis zu Millimetern Größe, in denen jedes Kohlenstoffatom mit vier Nachbarn ein stabiles, dreidimensionales Netzwerk bildet - von Fachleuten sp³-Bindung genannt. Im Unterschied zum kubischen Diamanten verlaufen die atomaren Schichten hier in einer sechseckigen Anordnung. Die Verbindungen zwischen den Schichten sind kürzer und stärker - ein möglicher Grund für die in Härtemessungen höheren Werte.
Nach Ansicht der Forscher könnte das Material in Zukunft neue Maßstäbe setzen - nicht nur als Schmuckstein, sondern auch in der Industrie, etwa für Schneidwerkzeuge, Sensoren oder Anwendungen in der Quantentechnologie. Der nächste Schritt: Das Team will prüfen, ob sich die Eigenschaften mit noch reinerem Ausgangsgrafit und feinjustierten Druck-Temperatur-Profilen weiter steigern lassen.
"Die Härte des hexagonalen Diamanten liegt nur geringfügig über der des kubischen Diamanten. Wir gehen davon aus, dass sich durch die Reinigung des Ausgangsgrafits und die Feinabstimmung der Hochdruck- und Hochtemperatur-Bedingungen Hexagonaldiamanten von noch höherer Qualität herstellen lassen", so das Team in Nature.
Siehe auch:
Jahrzehnte auf der Jagd nach diesem Diamanten
In der Tiefe eines Diamanten liegt mehr als nur Glanz. Seit über einem halben Jahrhundert versuchen Forscher, besondere Diamanten mit hexagonaler Symmetrie - härter und vielleicht widerstandsfähiger als alles bisher bekannte - gezielt im Labor herzustellen. Bislang blieb der Weg zu diesen "Super-Diamanten" der Wissenschaft jedoch verborgen oder konnte nur in winzigen, verunreinigten Bruchstücken gewonnen werden.In einer aktuellen Studie ist es jetzt gelungen, dieses Material erstmals in größerer, reiner Form gezielt herzustellen. Ausgangspunkt waren hochreine Grafit-Einkristalle, gepresst und erhitzt unter Bedingungen, die dem Druck im Inneren der Erde ähneln. Entscheidend war ein quasi-hydrostatisches Verfahren: Der Druck wurde so gleichmäßig wie möglich aus allen Richtungen auf das Material ausgeübt - ähnlich wie der gleichmäßige Druck einer Flüssigkeit unter Wasser -, um Spannungsrisse zu vermeiden und den Umwandlungsprozess sauber zu steuern.
Das Ergebnis sind "Bulk Hexagonal Diamonds" - Kristalle von 100 Mikrometern bis zu Millimetern Größe, in denen jedes Kohlenstoffatom mit vier Nachbarn ein stabiles, dreidimensionales Netzwerk bildet - von Fachleuten sp³-Bindung genannt. Im Unterschied zum kubischen Diamanten verlaufen die atomaren Schichten hier in einer sechseckigen Anordnung. Die Verbindungen zwischen den Schichten sind kürzer und stärker - ein möglicher Grund für die in Härtemessungen höheren Werte.
Endlich die Natur verstanden
Diese hexagonale Form kommt in der Natur vor, etwa in Meteoriten, wo der Aufprall extreme Druck- und Temperaturspitzen erzeugt. Doch im Labor waren Versuche über Jahrzehnte gescheitert oder lieferten nur Spuren. Die nun hergestellten Proben bestehen fast vollständig aus der gesuchten Struktur, mit nur minimalen Einschlüssen kubischen Diamanten.Nach Ansicht der Forscher könnte das Material in Zukunft neue Maßstäbe setzen - nicht nur als Schmuckstein, sondern auch in der Industrie, etwa für Schneidwerkzeuge, Sensoren oder Anwendungen in der Quantentechnologie. Der nächste Schritt: Das Team will prüfen, ob sich die Eigenschaften mit noch reinerem Ausgangsgrafit und feinjustierten Druck-Temperatur-Profilen weiter steigern lassen.
"Die Härte des hexagonalen Diamanten liegt nur geringfügig über der des kubischen Diamanten. Wir gehen davon aus, dass sich durch die Reinigung des Ausgangsgrafits und die Feinabstimmung der Hochdruck- und Hochtemperatur-Bedingungen Hexagonaldiamanten von noch höherer Qualität herstellen lassen", so das Team in Nature.
Was sind Labordiamanten?
Labordiamanten (auch synthetische oder kultivierte Diamanten genannt) sind echte Diamanten, die in kontrollierter Umgebung hergestellt werden. Sie bestehen wie natürliche Diamanten aus reinem Kohlenstoff und haben die gleiche chemische, physikalische und optische Struktur.
Im Gegensatz zu natürlichen Diamanten, die über Millionen Jahre im Erdinneren entstehen, werden Labordiamanten in wenigen Wochen erschaffen. Sie sind von natürlichen Diamanten mit bloßem Auge nicht zu unterscheiden und werden nach den gleichen 4C-Kriterien (Karat, Schliff, Reinheit, Farbe) bewertet.
Im Gegensatz zu natürlichen Diamanten, die über Millionen Jahre im Erdinneren entstehen, werden Labordiamanten in wenigen Wochen erschaffen. Sie sind von natürlichen Diamanten mit bloßem Auge nicht zu unterscheiden und werden nach den gleichen 4C-Kriterien (Karat, Schliff, Reinheit, Farbe) bewertet.
Wie werden Labordiamanten hergestellt?
Es gibt zwei Hauptverfahren zur Herstellung von Labordiamanten: HPHT (Hochdruck-Hochtemperatur) und CVD (Chemische Gasphasenabscheidung). Bei HPHT wird ein Diamantsamen extremem Druck (ca. 5-6 GPa) und Temperaturen von 1300-1600 °C ausgesetzt, wobei sich Kohlenstoff in einen Diamanten wandelt.
Beim CVD-Verfahren wird ein Diamantsamen in eine Vakuumkammer mit kohlenstoffhaltigem Gas (meist Methan) gebracht. Bei Temperaturen von 800-900 °C entstehen Plasmawolken, aus denen sich Kohlenstoffatome schichtweise auf dem Saatkristall ablagern und zu einem Diamanten heranwachsen.
Beim CVD-Verfahren wird ein Diamantsamen in eine Vakuumkammer mit kohlenstoffhaltigem Gas (meist Methan) gebracht. Bei Temperaturen von 800-900 °C entstehen Plasmawolken, aus denen sich Kohlenstoffatome schichtweise auf dem Saatkristall ablagern und zu einem Diamanten heranwachsen.
Sind Labordiamanten "echt"?
Ja, Labordiamanten sind echte Diamanten. Sie bestehen aus demselben Material wie natürliche Diamanten - reinem kristallisiertem Kohlenstoff - und weisen identische chemische und physikalische Eigenschaften auf. Sie haben die gleiche Härte, den gleichen Brechungsindex und die gleiche Wärmeleitfähigkeit.
Seit 2018 definiert sogar die Federal Trade Commission (FTC) Labordiamanten offiziell als echte Diamanten. Der einzige Unterschied zu natürlichen Diamanten liegt in ihrem Ursprung. Mit speziellen Geräten können Experten sie unterscheiden, für das bloße Auge ist dies jedoch unmöglich.
Seit 2018 definiert sogar die Federal Trade Commission (FTC) Labordiamanten offiziell als echte Diamanten. Der einzige Unterschied zu natürlichen Diamanten liegt in ihrem Ursprung. Mit speziellen Geräten können Experten sie unterscheiden, für das bloße Auge ist dies jedoch unmöglich.
Wie nachhaltig sind Labordiamanten?
Labordiamanten gelten generell als umweltfreundlicher als Minendiamanten. Für einen Karat natürlichen Diamant müssen durchschnittlich 200-250 Tonnen Erde bewegt werden, was zu Bodenerosionen und Ökosystemzerstörungen führt. Labordiamanten verursachen deutlich weniger Landstörungen und Mineralabfall.
Allerdings ist der Energieverbrauch bei der Herstellung von Labordiamanten beträchtlich. Die Nachhaltigkeit hängt letztlich von der Energiequelle ab - werden erneuerbare Energien genutzt, können die CO₂-Emissionen minimal sein. Es gibt inzwischen Hersteller, die ihre Diamanten ausschließlich mit Ökostrom produzieren.
Allerdings ist der Energieverbrauch bei der Herstellung von Labordiamanten beträchtlich. Die Nachhaltigkeit hängt letztlich von der Energiequelle ab - werden erneuerbare Energien genutzt, können die CO₂-Emissionen minimal sein. Es gibt inzwischen Hersteller, die ihre Diamanten ausschließlich mit Ökostrom produzieren.
Was kosten Labordiamanten?
Labordiamanten sind deutlich günstiger als natürliche Diamanten gleicher Qualität. Im Durchschnitt kosten sie etwa 30-40 % weniger, in manchen Fällen sogar bis zu 75 % weniger als vergleichbare natürliche Steine. Ein Labordiamant, der einem 10.000 Euro teuren natürlichen Diamanten entspricht, kostet etwa 2.500 Euro.
Der Preisunterschied erklärt sich durch die niedrigeren Produktionskosten und die unbegrenzte Verfügbarkeit. Beachtenswert ist jedoch, dass Labordiamanten im Gegensatz zu natürlichen Diamanten bisher kaum Wertsteigerungspotenzial gezeigt haben.
Der Preisunterschied erklärt sich durch die niedrigeren Produktionskosten und die unbegrenzte Verfügbarkeit. Beachtenswert ist jedoch, dass Labordiamanten im Gegensatz zu natürlichen Diamanten bisher kaum Wertsteigerungspotenzial gezeigt haben.
Haben Labordiamanten Einschlüsse?
Ja, auch Labordiamanten können Einschlüsse und Unvollkommenheiten aufweisen. Jeder Labordiamant ist einzigartig und variiert in Schliff, Farbe und Reinheit. Die Einschlüsse können verschiedene Formen haben, wie winzige Bläschen oder Kohlenstoffablagerungen, die während des Wachstumsprozesses entstehen.
Die Reinheit wird bei Labordiamanten nach denselben Kriterien bewertet wie bei natürlichen Diamanten. Durch die kontrollierte Herstellungsumgebung weisen Labordiamanten jedoch tendenziell eine höhere durchschnittliche Reinheit auf als natürliche Diamanten vergleichbarer Preisklasse.
Die Reinheit wird bei Labordiamanten nach denselben Kriterien bewertet wie bei natürlichen Diamanten. Durch die kontrollierte Herstellungsumgebung weisen Labordiamanten jedoch tendenziell eine höhere durchschnittliche Reinheit auf als natürliche Diamanten vergleichbarer Preisklasse.
CVD vs. HPHT: Was ist besser?
Beide Verfahren haben ihre Stärken. HPHT-Diamanten wachsen schneller und eignen sich besonders gut für farbige Diamanten wie Fancy Yellow oder Blue. Das Verfahren ist jedoch energieintensiver und kann metallische Einschlüsse aufweisen.
CVD-Diamanten benötigen weniger Energie und bieten oft eine höhere Reinheit. Sie haben zudem eine einfachere, vorhersehbare Kristallstruktur. Die Wahl hängt letztlich vom gewünschten Ergebnis ab: Für farbloses Weiß (D oder E) kann HPHT vorteilhaft sein, für symmetrisches Wachstum eignet sich CVD besser.
CVD-Diamanten benötigen weniger Energie und bieten oft eine höhere Reinheit. Sie haben zudem eine einfachere, vorhersehbare Kristallstruktur. Die Wahl hängt letztlich vom gewünschten Ergebnis ab: Für farbloses Weiß (D oder E) kann HPHT vorteilhaft sein, für symmetrisches Wachstum eignet sich CVD besser.
Wie erkennt man Labordiamanten?
Mit bloßem Auge können selbst Experten einen Labordiamanten nicht von einem natürlichen unterscheiden. Zur Identifizierung werden spezielle Geräte wie spektroskopische Instrumente benötigt, die charakteristische Wachstumsmuster oder Fluoreszenzreaktionen erkennen.
Labordiamanten tragen in der Regel eine Lasergravur auf der Rundiste, die sie als synthetische Diamanten kennzeichnet. Diese Gravur ist mit einer 10-fach vergrößernden Lupe sichtbar und ermöglicht die Zuordnung zum Zertifikat. Zudem gibt es inzwischen handelsübliche Testgeräte, die binnen Sekunden analysieren können, ob ein Diamant natürlichen oder synthetischen Ursprungs ist.
Labordiamanten tragen in der Regel eine Lasergravur auf der Rundiste, die sie als synthetische Diamanten kennzeichnet. Diese Gravur ist mit einer 10-fach vergrößernden Lupe sichtbar und ermöglicht die Zuordnung zum Zertifikat. Zudem gibt es inzwischen handelsübliche Testgeräte, die binnen Sekunden analysieren können, ob ein Diamant natürlichen oder synthetischen Ursprungs ist.
Zusammenfassung
- Forscher stellen erstmals reinen, hexagonalen 'Super-Diamanten' her
- Aus hochreinem Grafit unter erdähnlichem Druck und Hitze gewonnen
- Quasi-hydrostatisches Verfahren sorgt für gleichmäßigen Druck von allen Seiten
- Sechseckige Atomanordnung macht ihn härter als gewöhnliche Diamanten
- Kristalle erreichen Größen von 100 Mikrometern bis zu mehreren Millimetern
- Material mit Potenzial für Schmuck, Industrie und Quantentechnologie
- Forscher planen weitere Optimierung durch reineren Ausgangsgrafit
Siehe auch:
- Neues Modell erklärt endlich die Widersprüche bei Diamantenwachstum
- Diamant-Dot: OLED-Fernseher-Trick bringt Hoffnung für Zellforschung
- Erste Kohlenstoff-14-Diamantbatterie liefert tausende Jahre Strom
- Diamanten-Speicher bietet unfassbare Datendichte, hält praktisch ewig
- Geoengineering: Klima retten mit Diamanten für fast 200 Billionen Dollar
Thema:
Neueste Downloads
Neue Nachrichten
Beliebte Nachrichten
Videos
❤ WinFuture unterstützen
Sie wollen online einkaufen?
Dann nutzen Sie bitte einen der folgenden Links,
um WinFuture zu unterstützen:
Vielen Dank!
Amazon
Alle Kommentare zu dieser News anzeigen