Diamanten sind schwer herzustellen. Sie bilden sich im oberen Erdmantel, ungefähr hundert Meilen unter der Oberfläche, unter tödlichem Druck und bei felsigen Temperaturen. Die Replikation dieser Bedingungen im Labor ist zwar an der Tagesordnung, die dafür erforderlichen Geräte sind jedoch teuer und der Vorgang kann Tage bis Wochen dauern.
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Nach jahrzehntelangen Tests hat ein Team der North Carolina State University nun einen schnellen Weg gefunden, um Diamanten herzustellen, bei denen kein Kohlenstoff unter extremem Druck gequetscht oder durch konventionelles Backen erhitzt werden muss.
"Die Umwandlung von Kohlenstoff in Diamant ist seit langem ein wichtiges Ziel für Wissenschaftler auf der ganzen Welt", sagt Jagdish Narayan, Hauptautor des Papiers, das diese Woche im Journal of Applied Physics veröffentlicht wurde .
Erstaunlicherweise entdeckten Narayan und sein Team bei der Herstellung ihrer Diamanten auch eine neue Kohlenstoffphase, Q-Carbon genannt. Dieses bizarre Material ist sogar härter als Diamant, ist magnetisch und strahlt ein weiches Glühen aus. Abgesehen von seiner Rolle bei der Herstellung schnellerer und billigerer Diamanten könnte Q-Carbon in elektronischen Displays Verwendung finden und unser Verständnis des Magnetismus auf anderen Planeten verbessern.
Die Umwandlung von Kohlenstoff in Diamant erfordert eine enorme Energiemenge, weshalb angenommen wurde, dass sie sich nur unter hohem Druck und hohen Temperaturen bilden, erklärt die Geophysikerin Rebecca Fischer, eine Postdoc-Stipendiatin am Smithsonian National Museum of Natural History, die nicht an der Forschung beteiligt war .
Aber laut Narayan geht es nur um die Geschwindigkeit. "Durch den schnellen Prozess können wir Mutter Natur im Wesentlichen täuschen", sagt er.
Unter normalem Raumdruck setzte das Team amorphen Kohlenstoff, dem jede Kristallstruktur fehlt, extrem kurzen Laserpulsen aus. Dies erhitzte den Kohlenstoff auf ungefähr 6.740 Grad Fahrenheit - zum Vergleich: Die Oberfläche der Sonne beträgt ungefähr 10.000 Grad Fahrenheit.
Die Pfütze aus geschmolzenem Kohlenstoff wurde dann schnell abgekühlt oder abgeschreckt, um den zähen neuen Q-Kohlenstoff zu bilden.
Andere Versionen von Kohlenstoff weisen ganz andere Eigenschaften auf - wie weicher, undurchsichtiger Graphit im Vergleich zu harten, funkelnden Diamanten - und Q-Kohlenstoff ist keine Ausnahme. Wenn der Kohlenstoff zum Beispiel schmilzt, verkürzen sich die Bindungen zwischen den Atomen und es bleibt keine Zeit, sich wieder zu verlängern, da das Material plötzlich abkühlt. Dadurch ist das Endprodukt dichter und härter als Diamant.
Noch aufregender ist, dass Q-Carbon bei Raumtemperatur magnetisch ist - eines der wenigen magnetischen Kohlenstoffmaterialien, die jemals hergestellt wurden. Und aufgrund seiner spezifischen atomaren Anordnung strahlt das Material geringe Lichtmengen aus. Diese Eigenschaften könnten Q-Carbon für zukünftige elektronische Anwendungen extrem wertvoll machen.
Die unmittelbarere Verwendung unterstützt jedoch die Diamantenkreation. Durch geringfügige Änderung der Abkühlungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Kohlenstoffs können die Wissenschaftler damit Diamantkristalle in einer Reihe von Formen wie Nanonadeln, Mikronadeln, Nanopunkten und Filmen züchten, erklärt Narayan.
Ein Nahaufnahmebild, das Mikrodiamanten zeigt, die mit der neuen Technik hergestellt wurden. (Zeitschrift für Angewandte Physik) Das Verfahren ist kostengünstig, zum Teil, weil es einen Laser verwendet, der bereits für Laseraugenoperationen beliebt ist. Darüber hinaus wächst das Verfahren Diamanten in einer Sache von Nanosekunden.
"Wir können in etwa 15 Minuten ein Karat machen", sagt Narayan.
Derzeit sind die Diamanten klein - der größte ist laut Narayan ungefähr 70 Mikrometer breit oder ungefähr so breit wie ein menschliches Haar. Er ist jedoch zuversichtlich, dass der Prozess ausgeweitet werden kann. An diesem Punkt ist die Hauptbeschränkung für die Edelsteingröße der Laser, und ein breiterer Strahl könnte größere Diamanten erzeugen.
Für die Massenproduktion kleinerer Wunderkerzen ist das Verfahren jedoch wahrscheinlich das vielversprechendste, anstatt einen großen Edelstein herzustellen, sagt Fischer.
Winzige Diamanten sind in einer Vielzahl von Bereichen nützlich, darunter Elektronik, Medizin und Schleifmittel, erklärt der Physiker Keal Byrne, der auch als Postdoktorand am Naturhistorischen Museum tätig ist. „Es ist großartig, einen neuen Weg zu haben, um [Diamanten] zu erschaffen - insbesondere einen, bei dem die Infrastruktur der alten Methoden weitgehend vermieden wird“, sagt Byrne.
Das Team konzentriert sich nun darauf, die faszinierenden Eigenschaften des Q-Kohlenstoffs zu verstehen, und schlägt sogar vor, dass dies dazu beitragen könnte, die Magnetfelder anderer Planeten zu erklären, die scheinbar keine aktiven Dynamos haben.
Aber es gibt noch viel mehr zu lernen, bevor wir diese Art von Theorien auf die Probe stellen können, sagt Byrne: „Es ist eine wirklich interessante Entdeckung. [Aber] was kommt davon - nun das ist der interessante Teil. "
