Ein Diamant ist ein festes Gestein aus Kohlenstoff und die härteste bekannte natürlich vorkommende Substanz. Da Diamanten auch über außergewöhnliche optische und physikalische Eigenschaften verfügen, wird intensiv an ihrem Einsatz in der Laser- und Quantentechnologie geforscht.
Synthetische oder im Labor hergestellte Diamanten werden seit vielen Jahrzehnten „gezüchtet“, und dieser Prozess ist mittlerweile außergewöhnlich.
Jeder natürliche Diamant ist anders und kann viele Verunreinigungen aus dem Erdinneren sowie Anzeichen von Stress enthalten, die im gesamten Kristall unterschiedlich sein können.
Allerdings ist jeder synthetische Diamant, der unter kontrollierteren Bedingungen hergestellt wird, von einheitlicher Qualität und etwaige Verunreinigungen können sorgfältiger behandelt werden.
Was genau sind im Labor gezüchtete Diamanten und wie unterscheiden sie sich von echten Diamanten? Die Professoren Tracey Rushmer und Rich Mildren von der Macquarie University erklären.
Können Sie den Unterschied zwischen echten und im Labor gezüchteten Diamanten erkennen?
Synthetische Diamanten sind chemisch und physikalisch mit natürlich vorkommenden Diamanten identisch und es kann sehr schwierig sein, sie mit bloßem Auge oder sogar mit dem Glas eines Juweliers zu unterscheiden.
Oftmals besteht die einzige Möglichkeit, im Labor gezüchtete Diamanten eindeutig von natürlichen zu unterscheiden, darin, spezielle Geräte zu verwenden, die die Diamanten messen molekulare Eigenschaften eines Diamanten wie Absorptionsspektroskopie oder Photolumineszenz.
Diamanten, die für Schmuck synthetisiert werden, können durch die Zugabe bestimmter Elemente wie zusätzlichem Stickstoff für gelbe, Bor für blaue oder Silizium für rosafarbene Diamanten oder durch Wärme- oder Bestrahlungsbehandlungen gefärbt werden.
Wie werden synthetische Diamanten angebaut?
Die beiden wichtigsten Methoden zur Züchtung synthetischer Diamanten sind die Hochdruck-Hochtemperatur-Methode (HPHT) oder die chemische Gasphasenabscheidung (CVD).
Bei der HPHT-Methode legen wir ein kleines Fragment eines natürlichen Diamanten als „Impfung“ in eine mit Kohlenstoff gefüllte Kammer und setzen es hohem Druck und hohen Temperaturen aus – eine beschleunigte Version der natürlichen Prozesse, die über Millionen von Jahren ablaufen . Der Kohlenstoff kristallisiert dann um den Samen herum und lässt den ursprünglichen Diamanten täglich um etwa einen Millimeter wachsen.
Dann hacken wir ein Stück vom neuen Diamanten ab, den wir für den nächsten Samen geschaffen haben, und wiederholen den Vorgang.
Bei der CVD-Methode wird ein Gasgemisch aus Kohlenwasserstoff und Wasserstoff in einer Vakuumkammer erhitzt, wodurch sich die Kohlenstoffatome vom Gas trennen und sich als Diamantschicht auf einer Oberfläche ablagern. Der Vorgang kann mehrere Stunden dauern, um eine dünne Diamantschicht zu erzeugen, und kann dann wiederholt werden, um mehrere Millimeter dicke Schichten zu erzeugen.
Die meisten natürlichen Diamanten sind zwischen einer und drei Milliarden Jahre alt. Sie entstehen hauptsächlich in alten, kalten Kratonen – alten kontinentalen Krustenstrukturen 150 Kilometer oder mehr unter der Erdoberfläche –, wo die Temperaturen 650 bis 1.000 °C erreichen und der Druck bis zu 100.000 höher ist als auf der Erdoberfläche.
Kohlenstoffatome werden dann unter extremen Drücken und Temperaturen zusammengepresst und verbinden sich zu Kristallen, die über Millionen von Jahren langsam wachsen. Diese ungewöhnlichen Bedingungen führen dazu, dass wir Diamanten nur dann sehen, wenn ein Vulkan explodiert und sie an die Erdoberfläche gelangen.
Die meisten natürlichen Diamanten stammen aus der Zeit vor den ersten Landpflanzen, daher werden Diamanten fast immer aus Karbonatgestein und nicht aus komprimierter Kohle gebildet.
Bemühungen zur Synthese von Diamanten begannen, nachdem der englische Chemiker Smithson Tennant 1797 bewies, dass Diamanten aus Kohlenstoff bestehen, und Mitte der 1950er Jahre gelang es Wissenschaftlern, Diamanten in einem Labor zu züchten. Das Verfahren ist im Laufe der Zeit kostengünstiger und effektiver geworden.
Fortschritte führen zu Preisverfall bei im Labor gezüchteten Diamanten
Der globale Markt für im Labor gezüchtete Diamanten wächst rasant Businesswire prognostiziert, dass es bis 2028 37,32 Milliarden US-Dollar erreichen wird.
Im Labor gezüchtete Diamanten sind in der Regel viel günstiger als natürlich vorkommende Diamanten, wobei die Preise bis zu 80 % niedriger sind, da sie keinen Angebotsbeschränkungen und den hohen Abbaukosten natürlicher Diamanten unterliegen.
Auf dem schnell wachsenden Markt für geschliffene und polierte Labordiamanten zur Verwendung in Schmuck sind die Preise schnell gesunken. Einkarätige Diamanten des im Labor gezüchteten Diamantenunternehmens Lightbox (im Besitz des Naturdiamanten-Einzelhandelsriesen de Beers) kosteten im Jahr 2023 800 US-Dollar.
Der australische Einzelhändler für lose Diamanten, Brilliant Earth, listet einen runden, „super idealen“ einkarätigen Labordiamanten für 1.830 US-Dollar auf, verglichen mit einem ähnlichen natürlichen Diamanten für 9.435 US-Dollar – mehr als das Fünffache.
Diamanten im Labor
Außerhalb des Verbrauchermarktes finden Diamanten jedoch ein wachsendes Anwendungsspektrum Amazon arbeitet jetzt mit de Beers zusammen Diamanten für Quantencomputeranwendungen herzustellen.
Die einzigartigen Eigenschaften von Diamanten machen sie ideal für Laser, einschließlich ihrer Fähigkeit, Licht zu verstärken und mit fast jeder Lichtwellenlänge (vom Terahertz-Bereich bis zum tiefen Ultraviolett) umzugehen, und ihrer überlegenen Wärmeleitfähigkeit, die Überhitzung reduziert.
Im Photonics Research Center der Macquarie University werden Diamantlaser für eine Vielzahl von Forschungszwecken eingesetzt, von der Umweltsensorik über medizinische und gesundheitliche Anwendungen bis hin zur Astronomie. Außerdem wird daran gearbeitet, Diamantlaser mit verschiedenen Wellenlängen (Farben) und Größenordnungen herzustellen Erhöhen Sie die Leistung von Diamantlasern.
Diamanten werden auch in Quantenanwendungen untersucht, von der Entwicklung von Quantencomputern bis hin zur Entwicklung hochauflösender Bildgebungssysteme, die einzelne Moleküle erkennen können.
Synthetische Diamanten haben ein sehr breites Spektrum an weiteren Einsatzmöglichkeiten; Beispielsweise gibt es mittlerweile einen Markt für Diamanten, die aus den Haaren eines geliebten Menschen oder der eingeäscherten Asche eines Menschen oder Haustiers gewonnen werden.
Das liegt daran, dass ein Diamant aus jeder Kohlenstoffquelle und jedem organischen Material entstehen kann, wenn er in seine Kernbestandteile zerlegt wird. Forscher haben Diamanten aus allen möglichen Dingen hergestellt – darunter Tequila und sogar Erdnussbutter.
Wir haben einmal darüber gesprochen, einen Diamanten aus Vegemite herzustellen – es ist technisch möglich.
Eine weitere wichtige und wachsende Verwendung synthetischer Diamanten sind hauchdünne Schichten, die als Film zur Kühlung leistungsstarker elektrischer Hochleistungskomponenten aufgetragen werden können, die bei ihrer Verwendung erhebliche Wärme erzeugen.
Diamanten sind auch als elektronisches Material für die Transistortechnologie der nächsten Generation von großem Interesse – etwas, das auch an der Macquarie University erforscht wird.