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Entstehungsmechanismus von Diamanten Was Diamanten zum Wachsen brauchen

Autor / Redakteur: Dr. Uta Deffke* / Christian Lüttmann

Diamanten entstehen nur unter Hitze und Druck. Es braucht aber auch Spannung, wie Forscher der Russischen Akademie der Wissenschaften in Kooperation mit dem Deutschen Geo-Forschungszentrum (GFZ) nun herausgefunden haben. In einer Hochdruckkapsel erzeugten sie Minidiamanten unter Anlegen einer schwachen elektrischen Spannung. Elektrische Felder könnten demnach ein Katalysator bei der Diamantbildung sein.

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Unter Hochdruck und mit kleiner elektrischer Spannung hergestellter Diamant.
Unter Hochdruck und mit kleiner elektrischer Spannung hergestellter Diamant.
(Bild: Yuliya Bataleva, SB Russ. Akad. d. Wissenschaften)

Nowosibirsk/Russland, Potsdam – Diamant fasziniert seit Jahrtausenden die Menschen. Er ist nicht nur als Schmuckstein begehrt, sondern auch als Werkzeug. Denn die kubische Kristallstruktur und die starken chemischen Bindungen verleihen dieser Erscheinungsform des Kohlenstoffs eine extreme Härte.

In den 1950er Jahren gelang es erstmals, Diamanten künstlich herzustellen. In der Natur bilden sich die meisten Diamanten im Erdmantel in Tiefen von mindestens 150 Kilometern, wo Temperaturen von mehr als 1500 °C und enorm hohe Drücke von einigen Gigapascal herrschen. Zum Vergleich: Ein Gigapascal ist der Druck, den 14 PKW auf die Fläche einer Ein-Cent-Münze ausüben würden.

Für die genauen Mechanismen der Diamant-Entstehung gibt es verschiedene Theorien. Das Ausgangsmaterial für Diamanten sind karbonatreiche Schmelzen, also etwa Verbindungen aus Magnesium, Kalzium oder Silizium, die Sauerstoff und Kohlenstoff enthalten. Doch Kohlenstoff, Hitze und hoher Druck sind womöglich nicht genug, um die außergewöhnlichen Minerale entstehen zu lassen.

Neue Theorie zur Entstehung von Diamanten

Forscher um Yuri Palyanov vom V. S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB der Russischen Akademie der Wissenschaften haben analysiert, ob elektro-chemische Prozesse für die Diamantbildung wichtig sind. Solche Prozesse finden im Erdmantel statt und verleihen dort existierenden Schmelzen und Flüssigkeiten mitunter eine hohe elektrische Leitfähigkeit.

Palyanovs Team hat nun ein Modell für die Bildung von Diamanten entwickelt, bei dem lokalisierte elektrische Felder eine zentrale Rolle spielen. Demnach bewirkt bereits das Anlegen einer kleinen Spannung, dass zusätzliche Elektronen zur Verfügung stehen, die den chemischen Umwandlungsprozess in Gang setzen. Sie ermöglichen es, dass aus bestimmten Kohlenstoff-Sauerstoff-Verbindungen der Karbonate in mehreren Schritten überhaupt CO2 und daraus schließlich reiner Kohlenstoff in Diamantform werden kann.

Testkapsel mit Bedingungen wie im Erdmantel

Um seine Theorie zu überprüfen, hat Palyanov mit seinem Team eine Experimentieranlage errichtet: Eine nur wenige Kubikmillimeter große Platinkapsel ist umgeben von einem Heiz-System sowie einer großen Presse, die einen Druck von bis zu 7,5 Gigapascal erzeugt. Kleine Spezial-Elektroden werden in die Kapsel geführt, die mit Karbonat beziehungsweise Karbonat-Silikat-Pulver gefüllt ist. Erhitzt auf 1300 bis 1600 °C entsteht die Ausgangs-Schmelze. In zahlreichen Versuchsreihen mit bis zu 40 Stunden Dauer und variierender Spannung haben die Forscher so die Bedingungen für das Entstehen von Diamanten untersucht.

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Erkenntnis mit Spannung

Wie vorhergesagt, wuchsen in der Umgebung der negativen Elektrode unter dem vorherrschenden Druck binnen einiger Stunden winzige Diamanten aus der Schmelze. Mit einem Durchmesser bis zu 200 Mikrometern sind die erzeugten Diamanten gerade noch mit dem bloßen Auge sichtbar. Bei geringerem Druck bildete sich erwartungsgemäß lediglich Graphit.

Wenn die Wissenschaftler die Spannung von lediglich einem halben Volt umpolten, so wuchsen die Diamanten an der anderen Elektrode. Ohne Spannung bildeten sich weder Graphit noch Diamant. Ebenfalls wiesen die Forscher nach, dass sich in der Umgebung der Diamanten weitere Mineralien aus der Schmelze formierten, wie sie auch im tiefen Erdmantel gefunden werden. „Unsere Ergebnisse zeigen deutlich, dass elektrische Felder als ein wichtiger zusätzlicher Faktor betrachtet werden sollten, der die Kristallisation von Diamanten beeinflusst“, sagt Palyanov.

Isotopenanalyse bestätigt Ergebnisse

Um die Ergebnisse aus Russland zu überprüfen, charakterisierten Forscher des Deutschen Geo-Forschungszentrums (GFZ) die Isotopen-Zusammensetzung hergestellten Minerale mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS). „Mit dieser Technologie können wir auf Proben, die nur Bruchteile von Millimetern groß sind, die chemische Zusammensetzung winziger Bereiche sehr genau bestimmen“, sagt Michael Wiedenbeck, Leiter des SIMS-Labors am GFZ.

So wird durch einen sehr präzise fokussierten Ionenstrahl gezielt ein Milliardstel Gramm der künstlich gewachsenen Diamanten abgetragen. Die entstehenden geladenen atomaren Partikel werden dann auf dem Weg durch einen sechs Meter langen Apparat ihrem Gewicht nach separiert und analysiert. So lässt sich bestimmen, aus welchen chemischen Elementen sie bestehen, beziehungsweise welche Isotope enthalten sind. „Auf diese Weise haben wir gezeigt, dass das Verhältnis der Kohlenstoff-Isotope 13C zu 12C exakt den vorhergesagten Werten entspricht. Damit haben wir quasi das letzte Puzzleteil geliefert, um die Theorie zu bestätigen“, erklärt Wiedenbeck. Für die Massenproduktion großer künstlicher Diamanten sei das Verfahren allerdings so nicht geeignet, fügt der Wissenschaftler hinzu.

* Dr. U. Deffke, Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, 14473 Potsdam

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