Rätsel um schmelzende Diamanten gelöst

Harte Kristalle

Rätsel um schmelzende Diamanten gelöst

Neue Experimente lösen einen 20 Jahre alten Widerspruch über die Theorie und die Praxis des Diamantenschmelzens

Julia Sica

Dragqueens, Steinmetze und Laserphysikerinnen haben eines gemeinsam: Sie stehen auf Diamanten. Die Minerale brillieren als Edelsteine im Schmuck und auf diversen Instrumenten, bei denen besondere Härte gefragt ist. Um sie zu zerstören, muss man sie schon enormem Druck und extremen Temperaturen aussetzen. Wer würde einen Diamanten zerstören wollen? Da gibt es den einen oder anderen Forscher. Aus rein wissenschaftlichem Interesse, versteht sich.

Einer von ihnen ist Marius Millot vom Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Kalifornien. Der Physiker ging mit seinem Forschungsteam kürzlich einer eigenartigen Beobachtung auf den Grund. Quantenmechanischen Simulationen zufolge sollte ein Diamant bei einem Druck von einem Terapascal und einer Temperatur von 7000 bis 7200 Grad Celsius schmelzen. Zum Vergleich: Die Sonne ist auf ihrer Oberfläche etwa 5500 Grad heiß, und ein Terapascal – 10 Millionen Bar – entspricht ungefähr dem Dreifachen des Drucks im Erdkern. Doch die ersten Experimente, die Diamanten zum Schmelzen brachten, kamen auf ganz andere Ergebnisse.

Plausiblere Zahlen

Diese Ergebnisse lagen bei ähnlichen Druckverhältnissen um 1500 Grad höher, ein Unterschied von beachtlichen 20 Prozent. Warum es zu dieser Abweichung kam, konnten Computersimulationen nicht reproduzieren – "egal, was die Theoretiker anstellten", sagt Millot. Die Untersuchung ist nicht trivial, denn weltweit können solche extremen Bedingungen, die Diamanten zum Schmelzen bringen, nur in wenigen Einrichtungen hergestellt werden. Darüber hinaus fand ein Forschungsteam 2009 kurz vor dem Schmelzen einen eigenartigen Übergangszustand.

Wie Millot mit Kolleginnen und Kollegen kürzlich im Fachjournal Nature Physics berichtete, gibt es diesen Übergangszustand doch nicht. Jedenfalls konnten sie ihn in eigenen Tests an der Laseranlage der University of Rochester (New York) nicht beobachten. Noch dazu kamen sie auf Schmelzwerte, die wesentlich näher an den Zahlen liegen, die die Theorie vorhersagt.

Sie nutzten keine natürlich entstandenen Diamanten, sondern synthetisch hergestellte Diamantplättchen, die sie mit Ultraviolett-Laserpulsen beschossen. Dadurch liefen Schockwellen rasant durch die dünne Diamantschicht und komprimierten sie mit einem Druck von bis zu 1,2 Terapascal. Gleichzeitig wurde die Versuchsanordnung mit Röntgenstrahlen bestrahlt, um zu sehen, was sich im Kristall abspielte.

Frustrierendes Ergebnis

"Es war das erste Mal, dass ein schockkomprimierter Diamant mittels Röntgenbeugung beobachtet werden konnte, bis er schmolz", wird Millot in einer LLNL-Aussendung zitiert. "Diese Messungen sind extrem schwierig, weil die Kohlenstoffatome klein und leicht sind. Sie streuen Röntgenstrahlen nur sehr wenig und das Signal, das wir messen mussten, war ziemlich schwach."

Tatsächlich maß das Team eine sinkende Durchlässigkeit für Röntgenstrahlung bei etwa 7000 Grad und 0,75 Terapascal: Der Diamant fing an zu schmelzen. Völlig geschmolzen war der Kristall bei 6720 Grad und einem Terapascal. Das musste auch der Erstautor einer der früheren Studien aus dem Jahr 2009, Jon Eggert, eingestehen – er war an diesem Experiment ebenfalls beteiligt. "Es war zwar frustrierend festzustellen, dass unsere ursprünglichen Temperaturmessungen um mehr als 1000 Grad daneben lagen, aber es ist spannend zu sehen, wie sich die Datenqualität durch unsere neuen Diagnosemethoden so dramatisch verbessert hat", sagte der Wissenschafter. "Noch besser ist, dass sich unsere ursprüngliche Vermutung über das Schmelzen nun direkt durch Röntgenbeugung bestätigen ließ."

Zuvor lag auch die Vermutung nahe, dass sich die Kristallstruktur im Diamanten unter diesen Bedingungen erst umformt, etwa in Graphit. Die neuen Röntgentests sprechen dagegen. "Wir glauben, dass die Probe bei einem einzigen Schock gar keine Zeit hat, sich zu verändern, und in der Diamantstruktur gefangen bleibt", sagt Millot.

Kernfusion ...

Das Ergebnis beantwortet damit eine alte Frage und kann darüber hinaus für praktische Anwendungen nützlich sein, etwa bei Versuchen rund um Kernfusion. Kleine Kapseln aus Diamant kommen bei der Trägheitsfusion am LLNL zum Einsatz. In ihnen steckt der Fusionsbrennstoff aus schwerem Wasserstoff, der durch Laser-Schockwellen komprimiert und erhitzt wird.

Damit die Fusionsreaktion nicht verpufft, sollte der Diamant bei der ersten Stoßwelle möglichst gleichmäßig schmelzen. Anhand der neuen Messungen kann die Intensität des Schocks gesenkt werden, was den Brennstoff besser komprimierbar machen würde, erklärt der Physiker: "Das wiederum erhöht die maximale Energieausbeute, die wir mit derselben Laserenergie erzielen könnten." Mit dieser und weiteren Optimierungen ließe sich die derzeitige Ausbeute verdreifachen.

... und Diamanten im All

Auch für die Astronomie birgt die Studie neue Erkenntnisse. In einer Studie namens "The ice layer in Uranus and Neptune – diamonds in the sky?" stellte der Physiker Marvin Ross 1981 erstmals die Vermutung auf, dass in den Gasplaneten Neptun und Uranus Diamanten verborgen sein könnten. Ob das 14 Jahre zuvor veröffentlichte Beatles-Lied Lucy in the Sky with Diamonds zu seiner Inspiration beitrug, ist offenbar nicht überliefert.

Dass es auf diesen Planeten aber Diamanten regnen könnte, zeigten spätere Beobachtungen und Laborexperimente. Der Druck in den Kernen von Uranus und Neptun ist höher als bei den neuen Schmelzexperimenten, sie könnten aber helfen, die Modelle über die Mysterien der fernen Planeten zu verbessern. (Julia Sica, 2.9.2026)

Forum: 48 Postings

Ihre Meinung zählt.

Die Kommentare im Forum geben nicht notwendigerweise die Meinung der Redaktion wieder. Die Redaktion behält sich vor, Kommentare, welche straf- oder zivilrechtliche Normen verletzen, den guten Sitten widersprechen oder sonst dem Ansehen des Mediums zuwiderlaufen (siehe ausführliche Forenregeln), zu entfernen. Benutzer:innen können diesfalls keine Ansprüche stellen. Weiters behält sich die STANDARD Verlagsgesellschaft m.b.H. vor, Schadenersatzansprüche geltend zu machen und strafrechtlich relevante Tatbestände zur Anzeige zu bringen.