Durch Laserbeschuss: Diamanten können bei Zimmertemperatur hergestellt werden

Aus einem Kohlenstofffilm haben Wissenschaftler mit einem Laser an der freien Luft Diamanten erzeugt. Für den Verlobungsring sind die Kristalle allerdings noch nicht ganz geeignet.

Artikel veröffentlicht am 1. Dezember 2015, 16:04 Uhr, Frank Wunderlich-Pfeiffer

So sehen die von den Wissenschaftlern hergestellten Diamanten nicht aus. (Bild: David Silverman/Getty Images)

Es klingt ganz einfach: Jagdish Narayan und Anagh Bhaumik von der North Carolina State University haben eine Saphirfläche mit dünnen Schichten aus Kohlenstoff (etwa 50 bis 500 Nanomater dick) bedampft und so Diamanten hergestellt.

Bei dem Experiment entstand zunächst amorpher Kohlenstoff. Ein Teil der Atome ist mit drei anderen Atomen verbunden, wie in Graphit, der Rest ist mit vier Atomen verbunden, wie im Diamant. Die Forscher haben auch Versuche mit anderen Oberflächen gemacht, aber Saphir erbrachte einen höheren Anteil der 4-Atom-Verbindungen.

Beim Abkühlen entstanden Diamanten

Im Anschluss benutzten sie 20 Nanosekunden lange Laserpulse aus einem Argon-Fluor Laser, um die Kohlenstoffschicht auf knapp 4000 Kelvin zu erhitzen und für kurze Zeit zum Schmelzen zu bringen. Beim Abkühlen entstanden Diamanten.

Doch es klingt einfacher, als es ist. Denn eigentlich sollte Kohlenstoff bei 4000 Kelvin nicht schmelzen, schon gar nicht bei normalem Luftdruck. Vielmehr sollte er bei 5000 Kelvin direkt verdampfen und davor nie flüssig werden. Aber aus Forschung an Silizium und Germanium war bekannt, dass diese unterkühlte Zustände haben - also ein Zustand ähnlich reinem Wasser, das im Tiefkühlschrank noch flüssig ist und beim Herausnehmen plötzlich auskristallisiert.

Genau diesen Zustand konnten die Forscher mit dem Laser erreichen. Nach einigen Versuchen entstand eine Kohlenstoffschmelze, die eigentlich viel zu kalt ist, um flüssig zu sein. Dieser Zustand ist instabil und wird, wie beim Wasser, zu einem stabileren (festen) Zustand. Dabei ist es für den Kohlenstoff erst einmal gleichgültig, ob es Graphit oder Diamant ist, Hauptsache fest. Wenn jetzt noch ein Kristallisationskeim dazukommt, entsteht Diamant. Ein solcher Keim findet sich hauptsächlich dann, wenn in dem Kohlenstofffilm schon zuvor möglichst viele Kohlenstoffatome mit vier anderen Kohlenstoffatomen verbunden waren.

Wenige Nanometer große Diamanten

Mit einer Energiedichte von 0,5 Joule pro Quadratzentimeter entstanden nach einem einzelnen Laserpuls Diamanten mit einer Größe von wenigen Nanometern. Aber schon mit 0,6 J/cm² blieb diesen Kristallen genug Zeit, auf eine Größe von einigen hundert Nanometern zu wachsen. Sie bedeckten dann die gesamte Oberfläche mit einer dünnen Schicht aus Diamant.

Wo genau die Grenzen dieses Prozesses liegen, haben die Forscher nicht beschrieben. Auch über die Haltbarkeit der Schichten war noch nichts zu lesen. Aber weil die Laserpulse so kurz sind, wird nur der Kohlenstoff und nicht das Substrat darunter erhitzt. Wenn es in Zukunft gelingen sollte, passende Kohlenstofffilme auf andere Materialien aufzubringen, dann könnte der Prozess sogar wärmeempfindliches Plastik mit einer Schicht aus Diamant überziehen. Die genaue Anwendung ist derzeit reine Spekulation. Neben den bekannten mechanischen Eigenschaften könnten solche Diamantschichten zum Beispiel auch neue katalytische Eigenschaften haben.