Künstliche Diamanten mithilfe von Elektronenstrahlung

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, künstliche Diamanten herzustellen. Jetzt haben Chemiker eine neue Methode entwickelt: Die Umwandlung von kohlenstoffhaltigen Adamantan-Molekülen in Diamanten mittels eines Elektronenstrahls. Lange hielten Experten das für unmöglich, doch die Experimente bestätigen, dass sich so Nanodiamanten generieren lassen – zumindest aus Materialien mit geeigneten Eigenschaften wie Adamantan. Der Vorteil: Diese Technik kommt ohne hohe Temperaturen und Drücke aus und liefert synthetische Diamanten mit nahezu perfektem Kristallgitter.

Diamanten sind wegen ihrer Schönheit, aber vor allem wegen ihrer großen Härte begehrt. Die Edelsteine kommen zwar natürlicherweise und in großer Zahl im Erdinneren vor, sind im Krustengestein aber nur schwer zu finden und zu bergen. Eine kostengünstigere Alternative ist es daher, Diamanten synthetisch herzustellen. Dafür werden kohlenstoffhaltige Materialien unter extremen Bedingungen umgewandelt. Mit sehr hohen Drücken und Temperaturen, wie sie auch im Erdmantel vorkommen, wird der Kohlenstoff in die kompakte Konfiguration des Diamantgitters gepresst. Ein Team um Jiarui Fu von der Universität Tokio hat nun einen anderen Ansatz näher untersucht, der ohne solche extremen Drücke und Temperaturen sowie ohne Katalysatoren und Zusatzstoffe auskommt: die kontrollierte Bestrahlung mit Elektronen.

Als Ausgangsmaterial diente den Chemikern ein kohlenstoffreiches Molekül namens Adamantan (C₁₀H₁₆), das bereits eine ähnliche Käfigstruktur besitzt wie Diamant. Beide Materialien bestehen aus einem tetraedrischen symmetrischen Atomgerüst, in dem die Kohlenstoffatome im gleichen räumlichen Muster angeordnet sind. Allerdings besteht Adamantan aus lose angeordneten Monomeren und Diamant aus einem robusten dreidimensionalen Gitter. Um aus Adamantan Diamanten zu machen, müssen daher dessen starke C-H-Verbindungen am Rand der Monomere in schwächere und instabilere C-C-Bindungen umgewandelt werden. Der Haken: „Niemand hielt das für machbar“, sagt Seniorautor Eiichi Nakamura von der Universität Tokio.

Auf der Suche nach den besten Reaktionsbedingungen

Aus früheren Studien ist zwar bekannt, dass sich die Atome des Adamantans mit einzelnen Elektronen beschießen lassen und dadurch zu Ionen werden. Das erleichtert die gewünschte Spaltung der C-H-Bindungen und ermöglicht es, dass sich spontan neue C-C-Bindungen bilden. Bislang ist es jedoch niemandem gelungen, durch Elektronenbestrahlung stabile Produkte zu erzeugen und zu isolieren. Das Team um Fu hat nun mithilfe eines Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) näher untersucht, was genau unter dem Elektronenstrahl passiert und welche Bedingungen für die Umwandlung am besten sind. Dafür bestrahlten sie Adamantan-Kristalle im Vakuum für einige Sekunden mit Elektronen von 80 bis 200 Kiloelektronenvolt Energie. Die Temperaturen im Test betrugen zwischen 100 und 296 Kelvin, also etwa minus 173 bis plus 23 Grad Celsius.

„Die gängige Meinung unter TEM-Spezialisten war, dass sich organische Moleküle schnell zersetzen, wenn man einen Elektronenstrahl auf sie richtet“, sagt Nakamura. Doch er und seine Kollegen konnten nun beweisen, dass dem nicht immer so ist: Ihr Verfahren führte zu winzigen Diamantenkügelchen mit würfelförmiger Kristallstruktur und einem Durchmesser von zwei bis vier Nanometern. „Durch längere Bestrahlung kam es zur Fusion solcher Nanodiamanten, wodurch Zwillingskristalle mit einem Durchmesser von acht bis 20 Nanometer entstanden“, berichtet das Team. Als Nebenprodukt entstand Wasserstoffgas (H₂). Im Gegensatz zu anderen Syntheseverfahren oder bei Verwendung ähnlicher Ausgangsmaterialien wiesen die nun hergestellten Kunstdiamanten aus Adamantan keine Schäden oder Abweichungen im Kristallgitter auf. „Diese Ergebnisse unterstreichen, dass das tetraedrisch-symmetrische Adamantan-Skelett der beste Baustein für die Diamantsynthese ist“, schreiben die Chemiker.

Wie läuft die Diamantenbildung ab?

Nähere Analysen enthüllten, wie diese scheinbar perfekten Nanodiamanten zustande kamen: Zuerst bildeten sich aus den Adamantan-Monomoren flexible Oligomer-Bausteine, die sich anschließend zu sphärischen und starren Polymeren zusammenschlossen. So blieben nur am Gitterrand noch C-H-Bindungen des Ausgangsmaterials erhalten, das Innere der Nanodiamanten bestand ausschließlich aus C-C-Bindungen. Das Tempo dieses Prozesses war davon abhängig, wie schnell sich die C-H-Bindungen spalten ließen, wie das Team feststellte.

Die Energie für die Umwandlung des Adamantans in Diamant stammte ausschließlich aus den eingeschossenen Elektronen, zusätzliche thermische Energie war nicht notwendig. Demnach läuft der Prozess sowohl gekühlt als auch bei Raumtemperatur ab. Die Freisetzung von Wasserstoff begünstigte den Prozess und war für die chemische Reaktion energetisch förderlich. „Dieses Beispiel der Diamantsynthese ist der ultimative Beweis dafür, dass Elektronen organische Moleküle nicht zerstören, sondern sie genau definierte chemische Reaktionen durchlaufen lassen, wenn die zu bestrahlenden Moleküle geeignete Eigenschaften haben“, sagt Nakamura.

Die Erkenntnisse lassen sich nun verwenden, um Nanodiamanten herzustellen. Diese eigenen sich zwar nicht für Schmuck, aber zum Beispiel für Quantensensoren. Das benötigte Adamantan kann aus Erdgas oder Erdöl gewonnen werden. Neben diesem praktischen Nutzen belegen die Experimente aber vor allem grundlegend, dass unter dem Einfluss von Elektronen Diamanten entstehen können – auch außerhalb des Labors, in natürlichen Umgebungen, wo ähnliche Reaktionsbedingungen herrschen. Seit Langem vermuten Forschende, dass solche hochenergetischen Teilchen, beispielsweise der kosmischen Strahlung, die Diamanten geformt haben, die in Meteoriten und in uranhaltigen Sedimenten auf der Erde vorkommen. Die Studie bestätigt nun, dass dies möglich ist.

Quelle: Jiarui Fu (Universität Tokio) et al.; Science, doi: 10.1126/science.adw2025

„Supercoole Technik“ – ein Wimmelbuch mit 250 Bildern für Kinder ab 10, das Technik verständlich erklärt. Faszinierend, bunt & ideal zum Entdecken und Staunen!

€ 19,95

© wissenschaft.de – Claudia Krapp