Erster reiner hexagonaler Diamant im Labor hergestellt

Forschende berichten erstmals über die Herstellung eines reinen hexagonalen Diamanten im Labor, der in Tests geringfügig härter als viele natürliche Diamanten ausfällt.

Damit wird eine lange umstrittene Kohlenstoffstruktur zu einem messbaren Material – und die Vorstellung von den Grenzen des Diamanten erhält eine neue Perspektive.

Wie sich Kohlenstoff verwandelte

In einer Presse bei 20 Gigapascal entstand eine 0,04 Zoll (0,10 Zentimeter) große Probe, die das Team als reine, neuartige Diamantstruktur einstuft.

Xigui Yang, Ph.D., von der Zhengzhou University (ZZU) ordnete die Probe anhand dieses Musters einer Struktur zu, über die lange gestritten worden war.

Frühere Behauptungen stützten sich meist auf winzige Körner, die mit anderen Kohlenstoffformen vermischt waren; dadurch ließ sich die Existenz eines eigenständigen Materials nur schwer belegen.

Das sauberere Stück veränderte die Debatte, weil Forschende nun ein ausreichend festes Material messen, vergleichen und kritisch prüfen konnten.

Streit um die Struktur des hexagonalen Diamanten

Bereits 1967 beschrieben Wissenschaftler Lonsdaleit, eine hexagonale Diamantform, in Meteoriten und Einschlagtrümmern.

Eine Untersuchung aus dem Jahr 2014 vertrat später die Ansicht, dass diese Signale statt von einem eigenen Kristall auch von beschädigten gewöhnlichen Diamanten stammen könnten.

Dieser Einwand blieb einflussreich, da das Material häufig nur als winzige, unregelmäßige Fragmente nach gewaltigen Einschlägen gefunden wurde.

„Diese Ergebnisse lösen die langjährige Kontroverse über die Existenz von HD als eigenständige Kohlenstoffphase und liefern neue Erkenntnisse über den Phasenübergang von Graphit zu Diamant. Damit ebnen sie den Weg für künftige Forschung und die praktische Nutzung von HD in fortschrittlichen technologischen Anwendungen“, schrieb Yang.

Ausgangsmaterial Graphit

Das Team der ZZU verwendete zunächst Graphit, eine weiche, geschichtete Kohlenstoffform, weil sich dessen übereinanderliegende Lagen in eine neue Anordnung umformen lassen.

Der Druck stieg auf 20 Gigapascal, während die Temperatur von 2.372 auf 3.452 °F (1.300 bis 1.900 °C) erhöht wurde; dadurch wurden die Schichten zusammengepresst, statt seitlich gegeneinander zu gleiten.

Diese Ausrichtung war entscheidend: Bindungen entstanden zwischen den Lagen und verwandelten die gleitfähige Struktur in ein starres dreidimensionales Netzwerk.

Am Ende konnte die Gruppe ein Stück bergen, das groß genug für mehrere direkte Prüfungen war.

Nachweis der Kristallstruktur

Zur Überprüfung nutzte das Team Röntgenbeugung, mit der sich Atompositionen im geborgenen Kristall bestimmen lassen.

Bei diesem Verfahren werden Röntgenstrahlen an Atomen reflektiert; das zurückkehrende Muster zeigt, wie die Kohlenstoffatome angeordnet sind.

Die Messungen des Kristalls entsprachen der hexagonalen Anordnung und nicht den Mischmustern, welche frühere Berichte erschwert hatten.

Mit der reineren Struktur musste der Nachweis nicht länger auf Spuren beruhen, die in Einschlagmaterial verborgen waren.

Härte des Diamanten im Test

Nachdem die Struktur belegt war, prüfte die Gruppe die Vickers-Härte, also den Widerstand gegen Eindrücken.

Bei einer Last von 9,8 Newton erreichte das Material in wiederholten Eindruckversuchen entlang einer Richtung etwa 114 Gigapascal.

Selbst dort blieb der Vorsprung gegenüber gewöhnlichen Diamanten gering, was das Ergebnis glaubwürdiger erscheinen ließ.

Auffällig war keine unrealistisch große Steigerung der Festigkeit, sondern ein bestätigter Zugewinn bei einem umstrittenen Material.

Auch die Hitze spielt eine Rolle

Härte allein würde das Material nicht nützlich machen, falls Wärme sein Kristallmuster rasch zerstören könnte.

Spätere Tests zeigten gegenüber dem Ausgangsgraphit eine hohe thermische Stabilität, also die Fähigkeit, die Struktur beim Erhitzen zu erhalten.

Das ist für Schneid- und Bohrwerkzeuge wichtig, denn heiße Werkzeugkanten verlieren schnell an Nutzen, wenn eine harte Oberfläche zu zerfallen beginnt.

Ein Werkstoff, der unter Belastung und Hitze hart bleibt, eignet sich besser für Maschinen, Elektronik und andere anspruchsvolle Einsatzbereiche.

Vom Weltraum ins Labor

Bei Meteoriteneinschlägen kann dieser Diamant entstehen, wenn Kohlenstoff plötzlich extremem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt wird und sich unter starker Belastung neu ordnet.

Eine Meteoritenstudie aus dem Jahr 2022 kam zu dem Schluss, dass Lonsdaleit bei manchen heftigen Einschlägen vor gewöhnlichem Diamant gebildet werden kann.

Dieser natürliche Befund erklärt das Forschungsinteresse, denn das Laborergebnis könnte einen extremen Prozess widerspiegeln, der bereits im Weltraum stattfindet.

Die Natur nachzuahmen bedeutet jedoch nicht automatisch, die Herstellung zu beherrschen; genau diese Lücke entscheidet über das Interesse der Industrie.

Mögliche industrielle Anwendungen

Diamanten werden in der Industrie bereits dort eingesetzt, wo Werkzeuge schneiden, schleifen oder intensive Reibung ohne Verschleiß überstehen müssen.

Eine etwas härtere Variante könnte an der Oberfläche länger halten, weil unter Druck weniger Atombindungen nachgeben würden.

Auch für die Elektronik ist das Material interessant, da Diamant Wärme effizient leitet und Schäden in rauen Umgebungen widersteht.

Praktische Anwendungen hängen weiterhin davon ab, größere Stücke zuverlässig, kostengünstiger und mit für Ingenieure reproduzierbaren Eigenschaften herzustellen.

Was noch unklar ist

Ein vielversprechender Kristall beantwortet nicht alle Fragen, denn die Härte kann von Richtung, Belastung, Fehlern und Probengröße abhängen.

Andere Labore werden nun versuchen, das Verfahren zu reproduzieren, größere Proben zu untersuchen und den Verschleiß unter realen Einsatzbedingungen zu testen.

Zudem werden sie dieses Material mit den besten technisch hergestellten Diamanten vergleichen und nicht nur mit gewöhnlichen Natursteinen.

Diese nächste Prüfungsrunde ist wichtig, weil ein außergewöhnlich hartes Material erst dann Vertrauen gewinnt, wenn unabhängige Gruppen die Behauptung nicht widerlegen können.

Was sich dadurch verändert

Die chinesischen Forschenden haben nicht einfach einen weiteren robusten Laborkristall erzeugt, sondern einer umstrittenen Kohlenstoffform ihre bislang klarste physikalische Identität gegeben.

Ob daraus ein nutzbares Produkt oder ein wissenschaftlicher Maßstab wird: Das Ergebnis stellt die künftige Diamantforschung auf eine solidere Grundlage.