Diamant-Nanopartikel aus Graphen herstellen Kochrezept für Nanodiamanten

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Nanodiamanten gelten als vielversprechende Materialien für Quantentechnologien, waren aber bislang schwer kontrolliert herzustellen. Ein Team am Max-Planck-Institut für Polymerforschung baut sie nun nach kontrolliert aus Nanographen-Bausteinen auf. Das Verfahren liefert einheitliche Partikel und erlaubt es erstmals, optisch aktive Farbzentren bereits während der Synthese gezielt ins Kristallgitter zu setzen.

Diamanten sind vielen vor allem als Schmuck bekannt. Der deutlich größere Teil kommt hingegen in der Industrie zum Einsatz, etwa als Schleifmittel. Und dann gibt es noch den deutlich kleineren Teil – diesmal bezogen auf die Größe der einzelnen Steine: Nanodiamanten. Dies sind winzige Diamantpartikel mit, wie der Name vermuten lässt, einer Größe von nur wenigen Nanometern. Weil sie chemisch äußerst stabil sind und so genannte Farbzentren beherbergen können, gelten sie als vielversprechende Materialien für Quantentechnologien, Sensorik und biomedizinische Forschung. Bisher war es jedoch schwierig, Nanodiamanten mit einheitlicher Größe, hoher Reinheit und gezielt eingebauten optischen Eigenschaften zuverlässig herzustellen.

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Yingke Wu und Prof. Tanja Weil am Max-Planck-Institut für Polymerforschung hat nun eine neue Synthesestrategie für Nanodiamanten entwickelt: Statt größere Diamanten zu zerkleinern („Top-down“), baut das Team die Diamantpartikel nach einem „Bottom-up“-Ansatz aus molekular genau definierten Nanographen-Bausteinen auf. Unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen werden diese flachen Kohlenstoffmoleküle direkt in diamantähnliche, hochkristalline Nanostrukturen umgewandelt.

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Mehr Einfluss auf die Eigenschaften

Der entscheidende Vorteil dieses Bottom-up-Ansatzes liegt in der Kontrolle auf molekularer Ebene. Da Struktur, Größe und Zusammensetzung der Ausgangsmoleküle präzise festgelegt sind, lassen sich auch die Eigenschaften der entstehenden Nanodiamanten deutlich besser steuern als bei herkömmlichen Zerkleinerungsverfahren. Das Team stellte so besonders kleine, einheitliche Nanodiamanten mit einer Größe von etwa drei bis vier Nanometern her.

Wichtig ist zudem, dass sich optisch aktive Farbzentren (bestimmte Defekte im Kristallgitter) bereits während der Synthese in das Diamantgitter integrieren lassen. Durch geeignete molekulare Vorläufer entstehen silizium- und germaniumbasierte Emitter, ohne dass nachträgliche Ionenimplantation, Bestrahlung oder weitere Behandlungsschritte erforderlich sind. Auf diese Weise können fluoreszierende Nanodiamanten mit maßgeschneiderten optischen Eigenschaften in einem direkten Syntheseschritt hergestellt werden.

Perspektiven für quantentechnologische Anwendungen

„Wir glauben, dass diese Plattform eine skalierbare Grundlage für die Entwicklung von Quantensensoren, integrierten photonischen Emittern und programmierbaren diamantbasierten Nanomaterialien bietet“, sagt MPI-Forscherin Weil.

Die neuen molekularen Nanodiamanten eröffnen Perspektiven für Anwendungen in der Quantentechnologie, etwa als stabile Einzelphotonenquellen oder nanoskalige Sensoren. Auch für die biologische und medizinische Forschung sind sie interessant: Langfristig könnten sie als robuste optische Reporter dienen, um Prozesse in Zellen oder anderen biologischen Umgebungen auf kleinster Skala sichtbar zu machen.

Originalpublikation: Liang, J.; Ender, C. P.; Forero-Martinez, N. C.; Batatia, I.; Liu, J.; Yang, X.; Brouwer, R. G.; Kazak, L.; Blinder, R.; Cancellara, L. et al.: Bottom-up synthesis of molecular nanodiamond from nanographene, Nature (2026); DOI: 10.1038/s41586-026-10669-3

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