Jagdish Narayan und Anagh Bhaumik ist an der North Carolina State University ein faszinierendes Experiment gelungen. Sie haben aus einem Kohlenstofffilm mit einem Laser bei Zimmertemperatur an der freien Luft Diamanten erzeugt. Mit einer Größe von etwas weniger als einem Mikrometer sind sie für den Verlobungsring allerdings noch nicht ganz geeignet.
(Diese Meldung ist vorhin auch auf golem.de erschienen.)
Es klingt eigentlich ganz einfach. Die Forscher haben eine Saphirfläche mit dünnen Schichten aus Kohlenstoff bedampft, nur etwa 50 bis 500nm dick. Dabei entsteht 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 andere Oberflächen gemacht, aber Saphir brachte einen höheren Anteil der 4-Atom-Verbindungen. 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.
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 so ähnlich wie reines 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 dem Kohlenstoff erst einmal egal, ob das Graphit oder Diamant ist, hauptsache fest. Wenn jetzt noch ein Kristallisationskeim dazu kommt, entsteht Diamant. Einen solcher Keim findet sich hauptsächlich dann, wenn in dem Kohlenstofffilm schon zuvor möglichst viele Kohlenstoffatome mit vier anderen Kohlenstoffatomen verbunden waren. Ein solcher Keim sieht so aus:
Mit einer Energiedichte von 0,5 Joule pro Quadratzentimeter entstanden nach einem einzelnen Laserpuls Diamenten mit einer Größe von wenigen Nanometern. Aber schon mit 0,6 J/cm² blieb diesen kleinen Kristallen genug Zeit auf eine Größe von einigen hundert Nanometern zu wachsen. Sie bedecken dann die gesamte Oberfläche mit einer dünnen Schicht aus Diamant. (a: Einzelne Diamanten, b: eine geschlossene Diamentenschicht, mit mehr Energie, c: Zeigt fadenförmige Filamente, aus denen die Diamantkristalle beim Abkühlen entstehen)
Wo genau die Grenzen dieses Prozesses liegen, haben die Forscher noch nicht geschrieben. 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.
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