Forschende schmolzen einen Diamanten – und das Ergebnis war völlig unerwartet

In Heistfilmen werden Diamanten mitunter als „Eis“ bezeichnet, doch tatsächlich haben die beiden Feststoffe kaum etwas gemeinsam.

Schon die Anordnung ihrer Atome, aber auch ihre Entstehung unterscheiden sich grundlegend: Diamant bildet sich tief unter der Erde bei enormem Druck und großer Hitze, Eis dagegen durch Kälte. Es fällt schwer, zwei Stoffe zu finden, die bei oberflächlicher Ähnlichkeit derart gegensätzliche Eigenschaften besitzen.

Umso überraschender ist, dass Diamant – das härteste natürlich vorkommende Mineral der Erde – schmelzen kann.

Doch selbst dabei verhält sich Diamant auf ausgesprochen seltsame Weise, wie ein von Marius Millot am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in den USA geleitetes Physikteam herausgefunden hat.

Im Wesentlichen behält er seine vertraute Kristallstruktur aus Diamant bis zu dem Moment bei, in dem er schmilzt und seine Kohlenstoffatome ungeordnet werden.

„Wir glauben, dass dies daran liegt, dass die Probe keine Zeit zur Veränderung hat, wenn sie nur einem einzigen Stoß ausgesetzt ist“, sagt Millot. „Sie bleibt in der Diamantstruktur ‚gefangen‘.“

Eine Illustration, die zeigt, wie kubischer Diamant zu flüssigem Kohlenstoff schmilzt. (James Wickboldt/LLNL)

Diamant schmelzen unter extremem Druck

Einen Diamanten zu schmelzen, ist alles andere als einfach, doch in den vergangenen Jahren gelang dies mehreren Experimenten. 2007 berichtete ein Forschungsteam, Diamant mithilfe eines Lasers geschmolzen zu haben, der eine Stoßwelle mit einem Druck von 750 Gigapascal erzeugte. Das entspricht mehr als dem Doppelten des Umgebungsdrucks im inneren Erdkern und dem 7,4-Millionenfachen des atmosphärischen Drucks auf Meereshöhe.

Nachfolgende Experimente, die in einer Arbeit von 2009 unter Leitung des LLNL-Physikers Jon Eggert beschrieben wurden, maßen die Schmelztemperatur von Diamant unmittelbar.

Mit den Fortschritten theoretischer Berechnungen zeigte sich jedoch ein Problem: Die experimentell bestimmte Schmelztemperatur wich um etwa 20 Prozent von quantenmechanischen Vorhersagen ab.

„Ganz gleich, was die Theoretiker versuchten – selbst mit den modernsten Techniken der Computersimulation –, sie konnten die Experimente nicht nachbilden“, sagt Millot.

Zugleich blieb eine weitere Frage offen. Theoretisch sollte sich das streng geordnete Atomgitter des Diamanten bei rund einem Terpascal vor dem vollständigen Schmelzen kurzzeitig in eine als BC8 bezeichnete Kohlenstoffform umwandeln.

Frühere Experimente waren sogar als Hinweis auf diesen Übergang oberhalb von etwa 900 Gigapascal gedeutet worden. Neuere Simulationen legen allerdings nahe, dass sich BC8 bei einer schnellen Kompression möglicherweise nur schwer bilden kann.

Die Studie von 2009 zeigte zwar, dass Diamant bei Drücken bis zu 1,1 Terpascal schmilzt, doch war das Experiment nicht empfindlich genug, um festzustellen, ob die vorhergesagte BC8-Phase dabei auftrat.

Seit diesen Versuchen hat sich die Technologie zur Beobachtung von Materie unter solch extremen, kurzlebigen Bedingungen jedoch erheblich weiterentwickelt. Millot und sein Team unternahmen daher einen neuen Anlauf.

Ein Diamant-Target im Zentrum eines OMEGA-Laserschusses, der Diamant unter extremem Druck untersuchen soll. Das helle weiße Licht ist während des Experiments entstandenes Plasma. (Eugene Kowaluk/LLE)

An der OMEGA Laser Facility der University of Rochester erzeugten die Forschenden mit leistungsstarken Laserpulsen Stoßwellen in winzigen Diamantproben. Dabei entstanden Drücke zwischen 600 Gigapascal und 1,8 Terapascal.

Parallel dazu erfasste das Team die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Stoßwelle, die Temperatur und das Reflexionsvermögen des Diamanten. Entscheidend war zudem der Einsatz von Röntgenstrahlen, um Veränderungen der Kristallstruktur zu beobachten.

„Wir konnten winzige Diamantproben durch Stoßkompression auf Temperaturen erhitzen, die über denen der Sonnenoberfläche liegen, und auf Drücke bringen, die höher sind als im Zentrum von Neptun und Uranus – und dabei weiterhin Atomstruktur, Temperatur, Dichte und optisches Reflexionsvermögen messen“, sagt Millot.

Die neuen Messungen klärten das Temperaturproblem.

Sie bestimmten die Schmelztemperatur von Diamant bei etwa 7.300 Kelvin und 1 Terapascal. Damit liegt sie deutlich unter den früheren experimentellen Messwerten und stimmt gut mit den theoretischen Berechnungen überein, die sich zuvor hartnäckig nicht mit dem alten Ergebnis deckten.

„Es war zwar frustrierend festzustellen, dass unsere ursprünglichen Temperaturmessungen um mehr als 1.000 Grad danebenlagen, doch es ist aufregend, mit unserer neuen Diagnostik eine so dramatische Verbesserung der Datenqualität zu sehen“, sagt Eggert.

Der Versuchsaufbau und Röntgenbeugungsmessungen von Diamant unter zunehmendem Druck. Das Beugungssignal des stoßkomprimierten Diamanten wird mit wachsendem Druck schwächer und verschwindet, sobald der Diamant schmilzt. (Millot et al., Nature Physics, 2026)

Die Kristallstruktur von Diamant beim Schmelzen

Die Röntgenstrahlen zeigten außerdem, was beim Schmelzen mit der Kristallstruktur des Diamanten geschieht – und genau hier wird es besonders spannend.

Mit steigendem Druck nahm das Röntgenbeugungssignal des Diamanten kontinuierlich ab. Das deutete darauf hin, dass beim Schmelzen immer weniger kristalliner Diamant vorhanden war, bis das Signal vollständig verschwand.

Solange das Team jedoch noch eine atomare Struktur erkennen konnte, blieb diese im bekannten kubischen Kristallgitter erhalten. Die Forschenden fanden keinen Hinweis auf eine ausgeprägte BC8-Phase: Fester Diamant und flüssiger Kohlenstoff existierten schlicht nebeneinander, bis der Vorgang abgeschlossen war.

Als wahrscheinliche Erklärung nennen sie Mechanismen, die von früheren Simulationen vorgeschlagen wurden. Obwohl Kohlenstoff bei den betreffenden Drücken möglicherweise die BC8-Phase bevorzugt, müssten dafür die extrem starken Kohlenstoffbindungen des Diamanten aufgebrochen und neu angeordnet werden – ein energetisch aufwendiger Prozess.

Unter den flüchtigen Bedingungen des Experiments scheint der Diamant zu schmelzen, bevor diese Umwandlung stattfinden kann.

Und ausgerechnet an diesem Punkt beginnt sich Diamant doch ein wenig wie Eis zu verhalten.

Bei diesen extremen Drücken ist fester Diamant weniger dicht als der flüssige Kohlenstoff, zu dem er schmilzt – ähnlich wie gewöhnliches Eis eine geringere Dichte als flüssiges Wasser besitzt.

Daher könnte fester Diamant auf einem Becken aus geschmolzenem Kohlenstoff schwimmen. Zudem ergibt sich ein weiterer kontraintuitiver Effekt: In einem Teil des Schmelzbereichs senkt ein höherer Druck tatsächlich die Temperatur, bei der Diamant schmilzt.

Bedeutung für Eisriesen und Kernfusion

Das ist nicht nur faszinierend und ungewöhnlich, sondern hat auch praktische Anwendungen.

Solche Experimente können Aufschluss über die Inneren von Eisriesen wie Uranus und Neptun geben, wo Kohlenstoff möglicherweise Druck- und Temperaturbedingungen erlebt, die den im Experiment nachgebildeten ähneln.

Näher an der Erde wird Diamant jedoch in Targets für Experimente zur Trägheitsfusion eingesetzt. Dort werden winzige Brennstoffkapseln unter ähnlich gewaltigen Drücken komprimiert. Präzisere Informationen darüber, wie sich Kohlenstoff beim Implodieren dieser Targets verhält, könnten daher die Computermodelle zur Entwicklung von Fusionsexperimenten verbessern.

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Tatsächlich ergaben Simulationen, in die das aktualisierte Kohlenstoffmodell einfloss, dass der vorhergesagte Energiegewinn der Fusion um bis zu das Dreifache steigen könnte.

„Unsere Arbeit deutet darauf hin, dass wir etwas langsamere anfängliche Stoßwellen einsetzen und in unseren NIF-Implosionen dennoch ein vollständiges Schmelzen des Diamanten erreichen könnten“, sagt Millot.

„Das ist spannend, weil eine solche langsamere Stoßwelle den Fusionsbrennstoff stärker komprimierbar machen würde. Das wiederum erhöht die maximale Energieausbeute, die wir mit derselben Laserenergie erzielen könnten.“

Die Forschung wurde in Nature Physics veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Fiona MacDonald einem Faktencheck unterzogen und von Fiona MacDonald redigiert. Wir sind stolz auf unseren Prozess, doch auch wir sind nur Menschen. Falls Ihnen ein Fehler auffällt, teilen Sie uns dies bitte mit.