Wie werden künstliche diamanten hergestellt

Seit 1955 ist es mit Hilfe des so genannten Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahrens möglich, künstliche Diamanten herzustellen. Bei diesem Verfahren wird Graphit in einer hydraulischen Presse bei Drücken von bis zu 6 Gigapascal und Temperaturen von über 1500 °C zusammengepresst. Unter diesen Bedingungen ist Diamant die thermodynamisch stabilere Form von Kohlenstoff, so dass sich der Graphit zu Diamant umwandelt. Dieser Umwandlungsprozess kann unter Beigabe eines Katalysators beschleunigt werden. Analog zum Diamant lässt sich aus der hexagonalen Modifikation des Bornitrids ebenfalls unter Verwendung der Hochdruck-Hochtemperatur-Synthese kubisches Bornitrid herstellen. CBN erreicht nicht ganz die Härte von Diamant, ist aber zum Beispiel bei hohen Temperaturen gegen Sauerstoff beständig. Parallel dazu wurde die Schockwellendiamantsynthese unter Zuhilfenahme höchster Drücke, wie sie bei Explosionen auftreten, entwickelt. Dieser kommerziell erfolgreiche Weg liefert Diamantpulver in verschiedenen Feinheiten. Eine Alternativmöglichkeit zur Herstellung von künstlichem Diamant ist die Beschichtung von Substraten mit Hilfe der chemischen Gasphasenabscheidung. Dabei wird in einer Vakuumkammer eine einige Mikrometer dicke Diamantschicht auf den Substraten, zum Beispiel Hartmetallwerkzeugen, abgeschieden. Ausgangsstoff dabei ist ein Gasgemisch aus Methan und Wasserstoff, wobei ersteres als Kohlenstoffquelle dient. Gemäß der Ostwaldschen Stufenregel sollte sich hauptsächlich metastabiler Diamant abscheiden; nach der Ostwald-Volmer-Regel bildet sich wegen seiner geringeren Dichte vorwiegend Graphit. Mit atomarem Wasserstoff gelingt es, Graphit selektiv zu zersetzen und die Bildung von Diamant zu begünstigen. Atomarer Wasserstoff entsteht in einem thermisch oder elektrisch aufgeheizten Plasma aus molekularem Wasserstoff-Gas. Die Substrattemperatur muss unterhalb von 1000 °C liegen, um die Umwandlung in das stabile Graphit zu unterbinden. Es lassen sich dann Wachstumsraten von mehreren Mikrometern pro Stunde erreichen. Als weitere Entwicklung können mit Hilfe der Technik der Plasmabeschichtung nur wenige Mikrometer dünne Schichten aus so genanntem diamantartigen Kohlenstoff hergestellt werden. Diese Schichten vereinigen gleichzeitig die extreme Härte von Diamant und die sehr guten Gleitreibungseigenschaften von Graphit. In ihnen liegt, je nach Beschichtungsparametern, eine Mischung von sp2- und sp3-hybridisierten Kohlenstoffatomen vor. Neuerdings ist es Nanotechnikern des Rensselaer Polytechnic Institute in Troy gelungen, magnetische Diamanten herzustellen. Sie sind nur winzige 5 Nanometer klein und besitzen ein eigenes Magnetfeld. Der Effekt beruht auf einem Defekt im Kristallgitter. Dabei wird das Magnetfeld einzelner Elektronen freigesetzt und gebündelt. Anwendungen des gesundheitsverträglichen Kohlenstoffs werden vor allem in der Medizin prognostiziert. Diamant – Wikipedia