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Diamanten brauchen Spannung

Unter Hochdruck und mit kleiner elektrischer Spannung hergestellter Diamant. (Foto: Yuliya Bataleva, SB Russ. Akad. d. Wissenschaften)
Auch Graphit entsteht nur unter Spannung, aber bei niedrigerem Druck als Diamant. (Foto: Yuliya Bataleva, SB Russ. Akad. d. Wissenschaften)
Die Multi-Anvil-Hochdruckapparatur des Split-Sphere-Typs (BARS) wurde im V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences entwickelt. (Foto: Alexander Khokhryakov, SB Russ. Akad. d. Wissenschaften)
Hochdruckzelle zur Erzeugung der Diamanten. Die Multi-Anvil-Hochdruckapparatur des Split-Sphere-Typs (BARS) wurde im V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences entwickelt. (Foto: Alexander Khokhryakov, SB Russ. Akad. d. Wissenschaften)
Das Sekundärionen-Massenspektrometer am Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ. (Foto: Michael Wiedenbeck)

Diamanten faszinieren – nicht nur als Schmucksteine mit brillanten Farben, sondern auch wegen der extremen Härte des Materials. Wie genau diese besondere Variante des Kohlenstoffs tief in der Erde unter extrem hohen Drücken und Temperaturen entsteht, gibt immer noch Rätsel auf. Jetzt haben Forschende von der Russischen Akademie der Wissenschaften Nowosibirsk in Kooperation mit dem Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam in Theorie und Experiment einen wichtigen neuen Einflussfaktor nachgewiesen: Schwache elektrische Felder können ein entscheidender Katalysator bei der Diamant-Bildung sein. Ihre Erkenntnisse haben sie jetzt im Fachmagazin Science Advances publiziert.

Diamant ist, wie Graphit, eine besondere Erscheinungsform des Kohlenstoffs. Seine kubische Kristallstruktur und die starken chemischen Bindungen verleihen ihm seine einzigartige Härte. Diese macht ihn bereits seit Jahrtausenden sowohl als Schmuckstück als auch als Werkzeug begehrt. In den 1950er Jahren gelang es erstmals, Diamanten künstlich herzustellen. Die meisten natürlichen Diamanten bilden sich im Erdmantel in Tiefen von mindestens 150 Kilometern, wo Temperaturen von mehr als 1500 Grad Celsius und enorm hohe Drücke von einigen Giga-Pascal herrschen – das Zehntausendfache eines gut aufgepumpten Fahrradreifens. Für die genauen Mechanismen der Diamant-Entstehung gibt es verschiedene Theorien. Das Ausgangsmaterial sind karbonatreiche Schmelzen, also etwa Verbindungen aus Magnesium, Kalzium oder Silizium, die Sauerstoff und Kohlenstoff enthalten.

Neue Wege zur Entstehung von Diamanten

Weil im Erdmantel elektro-chemische Prozesse stattfinden und die dort existierenden Schmelzen und Flüssigkeiten eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen können, haben Forschende um Yuri Palyanov vom V. S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB der Russischen Akademie der Wissenschaften ein Modell für die Bildung von Diamanten entwickelt, bei dem lokalisierte elektrische Felder eine zentrale Rolle spielen. Demnach bewirkt bereits das Anlegen einer kleinen Spannung von unter einem Volt – weniger also, als die meisten haushaltsüblichen Batterien liefern –, dass zusätzliche Elektronen zur Verfügung stehen, die den chemischen Umwandlungsprozess in Gang setzen. Sie ermöglichen es, dass aus bestimmten Kohlenstoff-Sauerstoff-Verbindungen der Karbonate in mehreren Schritten überhaupt CO2 und daraus schließlich reiner Kohlenstoff in Diamantform werden kann.

Um seine Theorie zu überprüfen, hat das russische Forschungsteam eine ausgeklügelte Experimentieranlage errichtet: Eine nur wenige Kubikmillimeter große Platinkapsel ist umgeben von einem Heiz-System sowie einer zwei Kubikmeter großen Presse, in der die immensen Drücke von bis zu 7,5 Gigapascal erzeugt werden. Kleine Spezial-Elektroden werden in die Kapsel geführt, die mit Karbonat beziehungsweise Karbonat-Silikat-Pulver gefüllt ist. Erhitzt auf 1300 bis 1600 Grad Celsius entsteht die Ausgangs-Schmelze. In zahlreichen Versuchsreihen mit bis zu 40 Stunden Dauer und variierender Spannung haben die Forschenden die Bedingungen für das Entstehen von Diamanten untersucht.

Diamanten wachsen nur mit Spannung

Die Experimente zeigten: Wie vorhergesagt wachsen in der Umgebung der negativen Elektrode im Verlaufe von einigen Stunden winzige Diamanten aus der Schmelze, aber nur dann, wenn eine kleine Spannung anliegt. Ein halbes Volt reicht bereits aus. Mit einem Durchmesser bis zu 200 Mikrometern, also einem Fünftel Millimeter, sind sie gerade noch mit dem bloßen Auge sichtbar. Bei geringerem Druck bildet sich erwartungsgemäß Graphit. Wird die Polung der Spannung umgedreht, so wachsen die Diamanten an der anderen Elektrode. Ohne Spannung bilden sich weder Graphit noch Diamant. In der Umgebung der Diamanten formieren sich aus der Schmelze weitere Mineralien, wie sie auch im tiefen Erdmantel gefunden werden.

„Die experimentellen Anlagen in Nowosibirsk sind absolut beeindruckend“, sagt Michael Wiedenbeck, am GFZ Leiter des SIMS-Labors, das zu Potsdams Modularer Infrastruktur (Modular Earth Science Infrastructure) MESI gehört. Er kooperiert seit mehr als zehn Jahren mit den russischen Forschenden. Zusammen mit Laboringenieur Frédéric Couffignal hat er die Diamanten vermessen. Denn um festzustellen, ob Yuri Palyanovs Theorie zur Diamantbildung auch vollständig richtig ist, musste die Isotopen-Zusammensetzung der Diamanten ganz genau charakterisiert werden.

Präzisionsanalyse „made in Potsdam“

Hierfür setzten die GFZ-Forscher die Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) ein. Das spezialisierte Potsdamer Gerät wird von Geowissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern auf der ganzen Welt geschätzt, weil es sehr kleine Proben mit sehr hoher Präzision vermessen kann: „Mit dieser Technologie können wir auf Proben, die nur Bruchteile von Millimetern groß sind, die chemische Zusammensetzung winziger Bereiche sehr genau bestimmen“, sagt Wiedenbeck. So wird durch einen sehr präzise fokussierten Ionenstrahl gezielt nur ein Milliardstel Gramm der künstlich gewachsenen Diamanten abgetragen (vgl. Bildmaterial). Die entstehenden geladenen atomaren Partikel werden dann auf dem Weg durch einen sechs Meter langen Apparat ihrem Gewicht nach separiert und analysiert. So lässt sich bestimmen, aus welchen chemischen Elementen beziehungsweise deren leichteren oder schwereren Varianten, den sogenannten Isotopen, sie bestehen. „Auf diese Weise haben wir gezeigt, dass das Verhältnis der Kohlenstoff-Isotope C13 zu C12 exakt den vorhergesagten Werten entspricht. Damit haben wir quasi das letzte Puzzleteil geliefert, um die Theorie zu bestätigen“, so Wiedenbeck. Für die Massenproduktion großer künstlicher Diamanten sei das Verfahren allerdings so nicht geeignet.

„Unsere Ergebnisse zeigen deutlich, dass elektrische Felder als ein wichtiger zusätzlicher Faktor betrachtet werden sollten, der die Kristallisation von Diamanten beeinflusst. Diese Beobachtung könnte sich als recht bedeutsam für das Verständnis der Verschiebung der Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse im globalen Kohlenstoffkreislauf erweisen", resümiert Yuri Palyanov.

Originalstudie: Y. N. Palyanov, Y. M. Borzdov, A. G. Sokol, Y. V. Bataleva, I. N. Kupriyanov, V. N. Reutsky, M. Wiedenbeck, N. V. Sobolev, Diamond formation in an electric field under deep Earth conditions. Sci. Adv. 7, eabb4644 (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abb4644

Wissenschaftlicher Kontakt:

Dr. Michael Wiedenbeck 
Leiter SIMS Labor; Sektion Anorganische und Isotopengeochemie
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Tel.: +49 331 288-1484
E-Mail: michael.wiedenbeck@gfz-potsdam.de

Medienkontakt:

Dr. Uta Deffke 
Referentin Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Tel.: +49 331 288-1049
E-Mail: uta.deffke@gfz-potsdam.de

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