Eine neue Ära bei superharten Materialien
Chinesischen Forschern ist gelungen, woran Wissenschaftler weltweit seit mehr als sechs Jahrzehnten arbeiten: Sie haben reinen hexagonalen Diamant in größeren Mengen hergestellt. Der in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Durchbruch ist das erste Mal, dass Wissenschaftler millimetergroße Proben dieses seltenen Kohlenstoff-Allotrops synthetisiert haben. Theoretischen Annahmen zufolge ist das Material härter als herkömmlicher kubischer Diamant, der seit Generationen die Mohs-Härteskala anführt.
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Dem Forschungsteam gehörten Physiker der Zhengzhou University, der Jilin University und des Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research an. Seine Arbeit beendet eine langjährige wissenschaftliche Kontroverse darüber, ob hexagonaler Diamant als eigenständiges Material existiert. Sie bestätigt, dass Lonsdaleit, der 1967 erstmals in einem Meteoriten in Arizona entdeckt wurde, nicht bloß fehlerhafter kubischer Diamant ist, sondern eine echte Kohlenstoffphase mit einzigartigen Eigenschaften. Diese könnten die industrielle Fertigung, die Luft- und Raumfahrt sowie Quantensensorik revolutionieren.
Anders als natürliche Diamanten, die tief im Erdmantel mit kubischer Atomanordnung entstehen, sind die Kohlenstoffatome im hexagonalen Diamant in einem wabenartigen Gitter angeordnet. Diese Struktur führt zu kürzeren, stärkeren Bindungen zwischen den Schichten und könnte dem Material im Vergleich zu herkömmlichen Diamanten eine höhere Härte und thermische Stabilität verleihen. Solche Diamanten kommen in Schneidwerkzeugen, Bohrgeräten und Hochleistungselektronik zum Einsatz.
Die Synthese ist mehr als eine bloße Laborkuriosität. Jahrzehntelang blieben die theoretisch angenommenen Eigenschaften des hexagonalen Diamanten ungeprüft, weil sich kein reines Material in ausreichender Menge herstellen ließ. Frühere Versuche ergaben lediglich nanoskalige Kristalle, die nur wenige Nanosekunden lang existierten, oder mit Graphit und kubischem Diamant verunreinigte Mischungen, die eine eindeutige Charakterisierung unmöglich machten. Die chinesische Forschungsgruppe stellte Kristalle mit Durchmessern von 100 Mikrometern bis 1,8 Millimetern her und ermöglichte damit erstmals umfassende mechanische Tests dieses schwer fassbaren Materials.
Sechs Jahrzehnte wissenschaftlicher Kontroverse
Die Geschichte des hexagonalen Diamanten begann 1962. Damals schlugen Forscher am Pittsburgh Coal Research Center erstmals vor, dass sich Kohlenstoffatome statt in der vertrauten kubischen Struktur auch in einem hexagonalen Gitter anordnen könnten. Diese theoretische Variante versprach aufgrund ihrer besonderen Bindungsstruktur eine höhere Härte. Der Nachweis ihrer Existenz sollte jedoch erst fünf Jahre später gelingen – mithilfe eines Fundstücks aus dem All.
1967 verkündeten Geologen, die Bruchstücke des Canyon-Diablo-Meteoriten aus dem Barringer-Krater in Arizona untersuchten, die Entdeckung eines neuen Minerals. Zu Ehren von Dame Kathleen Lonsdale benannt, der Pionierin der Kristallografie, die die Struktur von Benzol aufgeklärt hatte, schienen diese hexagonalen Diamanten unter der extremen Hitze und dem hohen Druck entstanden zu sein, die beim Einschlag des Meteoriten vor etwa 50.000 Jahren freigesetzt wurden. Später wurden ähnliche Spuren im Goalpara-Meteoriten im indischen Bundesstaat Assam gefunden.
Doch die Freude war verfrüht. Kritiker argumentierten, bei den Proben handle es sich nicht um echte hexagonale Diamanten, sondern um kubische Diamanten mit Stapelfehlern oder chaotischen Defekten, die lediglich eine hexagonale Symmetrie vortäuschten. 2021 veröffentlichten Forscher Studien, denen zufolge alle zuvor als Lonsdaleit identifizierten Proben in Wirklichkeit falsch eingeordnete Varianten des kubischen Diamanten waren. Die Zweifel hielten an, weil es keinem Labor gelungen war, reinen hexagonalen Diamant in ausreichender Menge herzustellen, um die Debatte endgültig zu entscheiden.
Der technische Durchbruch
Der Erfolg der chinesischen Forschungsgruppe beruhte auf einer neuartigen Hochdruck-Hochtemperatur-Methode, die der thermodynamischen Instabilität des hexagonalen Diamanten Rechnung trug. Kubischer Diamant bleibt bei Drücken bis zu zwei Terapascal die stabilste Form des sp3-gebundenen Kohlenstoffs. Die Forscher erkannten jedoch, dass sich die Bildung hexagonalen Diamanten kinetisch steuern lässt, wenn die Form des Ausgangsmaterials und die Synthesebedingungen sorgfältig angepasst werden.
Ausgehend von hoch orientiertem pyrolytischem Graphit, einem synthetischen Kohlenstoffmaterial mit regelmäßig angeordneten Atomlagen, entwickelten die Forscher einen besonderen Versuchsaufbau. Dabei integrierten sie eine Kolben-Zylinder-Presse mit hochfestem, dichtem Aluminiumoxid in eine Mehrstempel-Presse. So konnten sie den Graphit vorwiegend entlang der z-Achse komprimieren, also senkrecht zu den Kohlenstoffschichten, statt von den Seiten.
Die Proben wurden zehn Stunden lang bei 20 Gigapascal komprimiert – einem Druck, der etwa dem 200.000-Fachen des Atmosphärendrucks auf Meereshöhe entspricht. Die Temperaturen lagen zwischen 1.300 und 1.900 Grad Celsius. Mithilfe von Röntgenbeugung in situ verfolgten die Wissenschaftler den Umwandlungsprozess in Echtzeit. So bestätigten sie die martensitische Umwandlung, bei der hexagonaler Graphit durch das Verschieben der Schichten und die direkte Bindung zwischen den Graphitlagen in hexagonalen Diamant übergeht.
Überlegene Eigenschaften im Test
Dank der nun verfügbaren millimetergroßen Proben konnte das Forschungsteam aussagekräftige mechanische Tests durchführen. Mithilfe von Vickers-Härteprüfungen und weiteren Verfahren untersuchten die Forscher die Kratz- und Verformungsbeständigkeit des Materials. Der hexagonale Diamant erreichte Härtewerte zwischen 114 und 165 Gigapascal, gegenüber etwa 110 Gigapascal bei natürlichem kubischem Diamant. Das entspricht einer deutlichen Härtesteigerung, bleibt jedoch etwas unter den ursprünglich angenommenen 50 Prozent.
Darüber hinaus erwies sich das Material als bemerkenswert thermisch stabil: Es widerstand Oxidation bei Temperaturen bis zu 1.100 Grad Celsius. Damit könnte es eine entscheidende Schwäche kubischer Diamanten ausgleichen, an deren Oberfläche sich bei hohen Temperaturen und Sauerstoffeinwirkung während industrieller Bohr- oder Schneidarbeiten Defekte bilden können. Die Steifigkeit und Oxidationsbeständigkeit der hexagonalen Struktur legen Anwendungen in extremen Umgebungen nahe, in denen herkömmliche Diamanten versagen.
Eine strukturelle Untersuchung mit hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie bestätigte die AB-Stapelung der gewölbten Wabenschichten, die für hexagonalen Diamant charakteristisch ist. Spektroskopische Analysen zeigten, dass alle Bindungen sp3-Sigma-Bindungen waren. Hinweise auf sp2-Pi-Bindungen, die auf verbliebene Graphitverunreinigungen hindeuten würden, gab es nicht. Eine der Bindungen zwischen den Schichten war kürzer als die übrigen drei. Das erklärt die größere strukturelle Festigkeit im Vergleich zu kubischem Diamant.
Industrielle und wissenschaftliche Anwendungen
Die Herstellung von hexagonalem Diamant in größeren Mengen eröffnet Anwendungsfelder, in denen die Leistungsgrenzen kubischer Diamanten bislang ein Hindernis waren. Chong-Xin Shan, Mitautor der Studie und Physiker an der Zhengzhou University, nannte mehrere vielversprechende Bereiche.
„Er könnte in vielen Bereichen zum Einsatz kommen, etwa in Schneidwerkzeugen, Materialien für das Wärmemanagement und in der Quantensensorik“,
sagte Shan gegenüber Nature.
Besonders die Luft- und Raumfahrt sowie die Rüstungsindustrie könnten davon profitieren. Dank seiner höheren Härte und thermischen Stabilität eignet sich hexagonaler Diamant für Präzisionsbearbeitung und Bohrarbeiten, bei denen höchste Genauigkeit und Haltbarkeit gefragt sind. Anders als natürliche Diamanten, deren Verfügbarkeit durch begrenzte Fördermengen und ethische Bedenken eingeschränkt ist, könnten im Labor hergestellte hexagonale Diamanten eine nachhaltige Alternative mit besseren Leistungsmerkmalen bieten.
Auch geologisch liefert die Synthese wichtige Erkenntnisse über Einschläge von Meteoriten. Wer versteht, wie hexagonale Diamanten unter extremem Druck und hohen Temperaturen entstehen, kann Einschlagsereignisse besser nachweisen und die Entstehungsgeschichte der Planeten in unserem Sonnensystem rekonstruieren. Dass Lonsdaleit in Meteoriten wie dem Canyon-Diablo-Meteoriten vorkommt, lässt sich nun als Folge bestimmter Schockmetamorphose-Bedingungen erklären, die das chinesische Team erfolgreich nachgebildet hat.
Internationale wissenschaftliche Bestätigung
Die Forschung hat in der internationalen Wissenschaftsgemeinschaft große Aufmerksamkeit erregt. Oliver Tschauner, Kristallograf an der University of Nevada, Las Vegas, der die Studie für Nature begutachtet hat, bestätigte die Bedeutung der Ergebnisse.
„Es gibt Hunderte Behauptungen von Menschen, die meinen, ihn gesehen zu haben. Doch dies ist die erste sehr präzise Charakterisierung dieses schwer fassbaren Materials“,
sagte Tschauner.
Eiichi Nakamura, anorganischer Chemiker an der University of Tokyo, der sich bereits mit Kohlenstoff-Allotropen befasst hat, hob die methodische Bedeutung hervor.
„Diese neue zweistufige Methode liefert erstmals einen eindeutigen Beleg dafür, dass hexagonaler Diamant ein eigenständiges Material ist, das in größeren Mengen hergestellt und zurückgewonnen werden kann“,
sagte Nakamura.
Ho-kwang Mao, Experte für Hochdruckforschung und ausländisches Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, verwies auf die weiterreichende Bedeutung für die Materialwissenschaft.
„Es wird erwartet, dass dieser synthetisierte hexagonale Diamant neue Wege für die Entwicklung superharter Materialien und hochwertiger elektronischer Bauelemente eröffnet“,
sagte Mao gegenüber der South China Morning Post.
Trotz der Begeisterung räumen die Forscher ein, dass bis zur kommerziellen Nutzung noch Herausforderungen zu bewältigen sind. Die für die Synthese erforderlichen Spezialanlagen für hohe Drücke begrenzen die derzeitige Produktionskapazität. Erste Anwendungen dürften sich daher auf hochpreisige Nischenmärkte wie Präzisionsmessgeräte und spezielle industrielle Schneidwerkzeuge konzentrieren, nicht auf Schmuck für den Massenmarkt.
Das Wichtigste in Kürze
- Chinesische Wissenschaftler haben erstmals reinen hexagonalen Diamant (Lonsdaleit) in Millimetergröße synthetisiert und damit eine 60-jährige wissenschaftliche Kontroverse über seine Existenz als eigenständiges Material beendet.
- Das Material erreicht Härtewerte zwischen 114 und 165 Gigapascal und ist damit härter als natürlicher kubischer Diamant mit etwa 110 Gigapascal. Zudem bleibt es bei Temperaturen bis zu 1.100 Grad Celsius thermisch stabil.
- Die Forscher komprimierten hoch orientierten pyrolytischen Graphit zehn Stunden lang bei 20 Gigapascal – dem 200.000-Fachen des Atmosphärendrucks – und Temperaturen zwischen 1.300 und 1.900 Grad Celsius.
- Mögliche Anwendungen sind fortschrittliche Schneidwerkzeuge, Wärmemanagementsysteme für Elektronik, Quantensensoren und Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, die besonders langlebig sein müssen.
- Der Durchbruch räumt langjährige Zweifel daran aus, ob hexagonaler Diamant eine eigenständige Kohlenstoffphase ist oder lediglich eine fehlerhafte Struktur des kubischen Diamanten darstellt.
