Wissenschaft im Alltag: Diamanten: Funkelnde Täuschung
Das Feuer geschliffener Diamanten weckt Bewunderung und Begehrlichkeit, ihre sprichwörtliche Härte hat den Edelsteinen viele industrielle Anwendungen erschlossen. Während die Schmuckbranche natürlich gewachsenen Steinen den Vorzug gibt, begnügt sich die Industrie großteils mit künstlichen. Doch dank immer genauerer Kontrolle der Synthese verwischen die Unterschiede.
Natürliche Diamanten [von griechisch adamas = unbezwingbar] entstanden in mehr als 80 Kilometer Tiefe bei Drücken über 40 000 bar und Temperaturen von 900 bis 1300 Celsius. Von dort gelangten
sie entlang sehr tief reichender Vulkanschlote an die Erdoberfläche. Solche "Pipes" gibt es insbesondere in Sibirien und Südafrika. Dort wird ein Karat – also 0,2 Gramm Diamant – aus zwei Tonnen Muttergestein gewonnen.
Zum Vergleich: Weltweit liegt der mittlere Ertrag bei einem
Karat pro 25 Tonnen.
Seit 1955 werden die Bedingungen des Erdmantels in entsprechenden
Anlagen simuliert, um künstliche Diamanten zu züchten. Quelle
des Kohlenstoffs ist Graphit, der aus einer Metallschmelze auf einem
winzigen Diamanten als Keim aufwächst. Industriediamanten dürfen
mehrere hundert Mikrometer pro Stunde wachsen. Soll das Resultat
aber zu Schmuck verarbeitet werden, sind nur wenige Mikrometer
pro Stunde erlaubt (diese Angaben sind Näherungswerte, denn mit
zunehmender Oberfläche steigt die Wachstumsrate). So entsteht in etwa
zwanzig Stunden ein Karat Rohdiamant, der dann geschnitten und
geschliffen wird. Das langsame und kontrollierte Aufwachsen hat seinen
Grund: Es erschwert die Bildung von Fehlstellen im Kristallgitter. Nur
dort könnten sich nämlich Metallatome aus der Schmelze einbauen,
die größer sind als Kohlenstoff . Diese Verunreinigung war früher ein
gängiges Kriterium zur Unterscheidung der künstlichen Steine von ihren
Vorbildern.
Diamanten werden in vier verschiedene Klassen eingeteilt, dabei ist das Vorkommen von Stickstoff ein wichtiges Merkmal. Natürliche Steine gehören zu 98 Prozent zum Typ Ia und enthalten Ansammlungen (Cluster)
von Stickstoffatomen, während bei den meisten synthetischen dieses
Element atomar im Gitter eingebaut ist; diese Kristalle gehören zum Typ Ib (zu dem etwa 1,8 Prozent der "echten" Steine zählen). Das Adamas Gemological Laboratory in Brookline (US-Bundesstaat Massachusetts)
nutzt diesen Unterschied bei der Edelsteinprüfung, denn Stickstoff-Cluster
absorbieren Wellenlängen zwischen 430 und 480 Nanometer aus weißem
Licht. Ein anderes Merkmal natürlicher Diamanten: Auf Grund ihrer
Entstehung enthalten sie bis zu 50 verschiedene Fremdelemente.
Bis vor wenigen Jahren hätte sich der Aufwand für die Synthese von Schmucksteinen kaum gelohnt, denn nur wenige Prozent der Produkte waren für diesen edlen Zweck zu gebrauchen; heute sind es dank der genauen Prozesskontrolle bis zu 98 Prozent. Das amerikanische tart-up-Unternehmen Gemesis bringt farbige Steine auf den Markt, die bei gleicher Qualität sehr viel preisgünstiger sind als natürliche, zum Beispiel bei der Farbe Gelb bis zu einem Fünftel. Aber auch dann kosten solche Preziosen immer noch einige Tausend Euro – im Supermarkt werden Qualitätssteine so schnell nicht auftauchen.
Wussten Sie schon?
Zirkon-"Edelsteine" waren die ersten Diamantimitate,
jedoch gelten sie nicht als synthetisches Äquivalent,
da sie nicht aus Kohlenstoff bestehen. Zu ihrer
Herstellung erhitzt man Zirkonoxidpulver zusammen
mit anderen Stoffen wie Kalzium- und Magnesiumoxid
bei Atmosphärendruck auf 2400 Grad Celsius;
beim Abkühlen kristallisiert Zirkon aus.
Diamantschichten für Werkzeuge werden chemisch
aufgedampft. Dazu zerlegt ein viele Tausend Grad
heißes Plasma Methan als Kohlenstofflieferant in
chemisch aktive Bruchstücke. Der Kohlenstoff schlägt
sich dann auf der kühleren Werkstückoberfläche nieder.
Durch weitere Maßnahmen wird dabei entstehendes
Graphit wieder abgetragen, sodass eine Diamantschicht
verbleibt.
Vom Krematorium zum Juwelier – ein funkelndes
"Leben" nach dem Tode verspricht das amerikanische
Unternehmen LifeGem. Aus der Asche des verbrannten
Leichnams wird der verbliebene Kohlenstoff
gewonnen und in Graphit eingebracht; daraus
entsteht dann für 2000 bis 14 000 Euro je nach Größe
und Qualität ein Diamant.
Bis vor wenigen Jahren hätte sich der Aufwand für die Synthese von Schmucksteinen kaum gelohnt, denn nur wenige Prozent der Produkte waren für diesen edlen Zweck zu gebrauchen; heute sind es dank der genauen Prozesskontrolle bis zu 98 Prozent. Das amerikanische tart-up-Unternehmen Gemesis bringt farbige Steine auf den Markt, die bei gleicher Qualität sehr viel preisgünstiger sind als natürliche, zum Beispiel bei der Farbe Gelb bis zu einem Fünftel. Aber auch dann kosten solche Preziosen immer noch einige Tausend Euro – im Supermarkt werden Qualitätssteine so schnell nicht auftauchen.
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