Winzige Diamanten aus der Großvolumenpresse

Diamanten: Sie sind nicht nur kostbare Edelsteine und eines der härtesten Materialien der Erde, sondern auch nützlich in Industrie und Wissenschaft. Für die Herstellung wird Graphit oder eine andere Kohlenstoffverbindung unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen in Diamanten umgewandelt. Eine kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Studie beschreibt, wie Forschende maßgeschneiderte Nanodiamanten erzeugen konnten – Kristalle mit einer Größe von nur drei oder vier Nanometer; ein menschliches Haar ist zum Vergleich etwa 80.000 bis 100.000 Nanometer dick. Die winzigen Kristalle könnten vielfältig eingesetzt werden, etwa in besonders verschleißfesten Schneidwerkzeugen oder in Quantentechnologien. Doch wie entstehen sie? Das Forschungsteam konnte den Herstellungsprozess mithilfe der Röntgenstrahlen von PETRA III und einer riesigen Presse analysieren.

Das Team unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz stellte Nanodiamanten aus kleinen Fragmenten eines durch Wasserstoff verbundenen Kohlenstoffmoleküls her: Graphen. Die Synthese von Diamanten ist seit über 50 Jahren eine Standardmethode in Laboren. Doch die Herstellung von nanokristallinen Diamanten als hochreine Edelsteine ist weitaus schwieriger. Denn bei solch winzigen Materialien ist die Kontrolle der Reaktionspartner schwierig, während das Kornwachstum bei hohen Temperaturen sehr schnell verläuft.

„Ein nanokristalliner Diamant mit gleichmäßiger Korngröße ist etwas ganz Besonderes“, sagt Robert Farla, Leiter der Strahllinie P61B an DESYs Lichtquelle PETRA III und Mitautor der Studie. „Er ist superhart – tatsächlich sogar härter als normalgroße Diamanten. Mich beeindruckt besonders, dass das Team diese Struktur bei deutlich geringerem Druck und geringerer Temperatur herstellen konnte als mit gewöhnlichem Graphit.“

Farla und sein Kollege Shrikant Bhat, ebenfalls Koautor der Studie, betreiben am Messplatz P61B eine Großvolumenpresse namens Aster-15. Diese Presse kann Proben von der Größe eines Zuckerwürfels auf Drücke von mehreren Zehntausend Gigapascals zusammenpressen – das entspricht etwa dem 100.000-fachen des Atmosphärendrucks. Gleichzeitig können die Proben auf Temperaturen von bis zu 2000 °C erhitzt werden. Das Forschungsteam konnte die Temperatur zwischen den Kompressionsvorgängen einfach variieren und so verschiedene Parameter testen, um die Mindesttemperatur und den Mindestdruck für die Entstehung der Nanodiamanten zu ermitteln. Mithilfe der Röntgenstrahlen von PETRA III analysierte und beobachte das Team die genauen Entstehungsbedingungen der Nanodiamanten.

„Ohne die Möglichkeit, die Strukturentwicklung und die Temperatur während des Experiments in Echtzeit zu verfolgen, hätten das Team deutlich mehr Einzelversuche durchführen müssen – jedes Mal unter unterschiedlichen Druck- und Temperaturbedingungen. Anschließend wären die Proben abgekühlt und analysiert worden“, erklärt Bhat. „Das würde viel mehr Zeit, Aufwand und Ressourcen kosten, als wenn sie einfach zu unserer Strahllinie kommen und einen schnellen Blick werfen.“

Mit Hilfe von P61B konnte das Team die optimalen Ausgangsmaterialien, Temperaturen und Drücke für die Erzeugung von Nanodiamanten ermitteln. Dadurch lässt sich die Produktion der nanokristallinen Diamanten beschleunigen, deren Bedeutung für verschiedene Anwendungen immer weiter zunimmt. Neben ihrer außergewöhnlichen Härte sind Nanodiamanten auch für Quantentechnologien interessant: atomare Defekte in den Diamantkristallen können extrem schwache Magnetfelder detektieren. Zudem eignen sie sich für Präzisionsbearbeitung und Hochglanzpolitur.

„Dieses Thema erhält derzeit viel Aufmerksamkeit“, sagt Bhat. „Vor zwanzig Jahren hätten wir noch gesagt, dass Diamanten ein langweiliges Forschungsgebiet seien. Aber wegen des Interesses an Quantentechnologien beschäftigen sich jetzt wieder einige Forschende damit – und diese Nanodiamanten sind besonders spannend, weil sie einzigartige Eigenschaften haben.“

„Ich erwarte, dass wir in Zukunft noch viele ähnliche Experimente an unserer Strahllinie sehen werden“, fügt Farla hinzu. „Und mit PETRA IV werden wir bald noch brillantere Röntgenstrahlen zur Verfügung haben.“