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Schmelzender Diamant erzeugt Superdiamanten

30.3.2024

Bei hohem Druck sollte sich Diamant in eine noch stabilere Struktur umwandeln. Doch er weigert sich hartnäckig: Bisher hat niemand den mysteriösen BC8-Kohlenstoff herstellen können. Jetzt kennt man den Grund – und kann ihn möglicherweise mit einem Trick umgehen.

Diamant ist einer der härtesten Stoffe überhaupt – doch es geht noch härter. Wenn man Diamant unter extremen Druck setzt, sollte er sich laut theoretischen Berechnungen in ein noch stabileres Material umwandeln, den BC8-Kohlenstoff. Diese Bezeichnung bezieht sich auf seine Kristallstruktur, in der die Atome ähnlich gebunden sind wie im Diamanten, aber sogar noch effizienter gepackt. Fachleute vermuten, dass das exotische Material im Kern bestimmter Exoplaneten vorkommt. Prinzipiell sollte man es auch im Labor aus Diamant herstellen können – es gibt nur ein Problem: Diamant hält sich nicht an die Vorhersage. Er behält seine Struktur sogar bei einem Druck, bei dem er sich nach den Regeln der Thermodynamik längst in BC8-Kohlenstoff umwandeln sollte.

Deswegen hat bisher niemand dieses vermeintlich einfach zu erhaltende Material zu Gesicht bekommen. Eine Arbeitsgruppe um Ivan I. Oleynik von der University of South Florida hat in hoch aufgelösten Simulationen von Kohlenstoff bei hohem Druck nun den wahrscheinlichen Grund dafür gefunden. Und sie schlägt einen Weg vor, wie man BC8-Kohlenstoff tatsächlich herstellen könnte. Wie das Team in der Fachzeitschrift «The Journal of Physical Chemistry Letters» berichtet, existiert eine hohe Energiebarriere zwischen Diamant und BC8-Kohlenstoff. Die verhindert, dass sich Diamant in die neue Struktur umlagert, selbst wenn sie schon längst energetisch günstiger ist.

In der Tat ähnelt das der Situation bei normalem Druck: Graphit ist energieärmer, weshalb sich Diamant eigentlich sofort in ihn umwandeln müsste. Doch auch hier verhindert eine Energiebarriere den spontanen und tragischen Wertverlust unzähliger Verlobungsringe. Man bezeichnet solch einen Zustand als metastabil: müsste eigentlich zerfallen, kommt aber gerade nicht dazu. Und genau deshalb kann man Diamant drücken, so viel man will, es entsteht einfach kein BC8-Kohlenstoff. Man kann sich allerdings, ganz ähnlich wie beim vergleichbar exotischen hexagonalen Diamanten, um das Problem herumtricksen. Die Simulationen der Arbeitsgruppe zeigen nämlich, dass Diamant zu BC8-Kohlenstoff schmelzen kann.

Der Witz dabei ist, dass der BC8-Kohlenstoff auch oberhalb des Schmelzpunkts von Diamant die stabilste Struktur darstellt. Daher entstehen beim Schmelzen des Diamanten sofort kleine Kristalle von BC8-Kohlenstoff. Das passiert laut Simulation bei Drücken über 1200 Gigapascal – zwölf Millionen Mal der Atmosphärendruck – und Temperaturen ab 3700 Kelvin, immerhin kühler als die Oberfläche der Sonne. Die Fachleute schlagen vor, Diamant in Hochdruckexperimenten zwei starken Stosswellen auszusetzen, um diesen Bereich zu erhalten. Diese Möglichkeit werde derzeit geprüft, berichten sie.

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Titelbild: Shutterstock / Bjoern Wylezich

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