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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.
Viel Stickstoff macht synthetische Diamanten gelb
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.

Graphit wird zu Diamant | Graphit löst sich in einer heißen Schmelze aus Eisen und Nickel und fällt dann Atom für Atom auf dem kühleren Keim aus, vergleichbar Wasserdampf, der sich morgens auf kühlen Flächen als Tau niederschlägt. Als Keim dient ein natürliches oder synthetisches Diamantbruchstück.
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.

Synthese per Diamantenpresse | Die hydraulischen Kolben einer Diamantpresse üben auf eine Kapsel mit allen Zutaten der Diamantsynthese einen Druck von 54 000 bar aus (eine Variante des Verfahrens nutzt kugelförmige Pressen um den allseitigen Druck gleichmäßiger aufzubringen). Elektrischer Strom heizt die Kapsel zudem auf 1400 Grad Celsius oder mehr auf.
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.
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