Diamanten unter Spannung

Novosibirsk (Russland) - Natürliche Diamanten entstehen im Erdmantel in Tiefen zwischen 250 und 800 Kilometern. Hier herrschen ausreichend hohe Drücke und Temperaturen, damit sich die wertvollen Kohlenstoffkristalle bilden können. Doch trotz intensiver Forschung ist der chemische Startpunkt für die Kristallbildung noch immer umstritten. Russische und deutsche Wissenschaftler überprüften nun den Einfluss von kleinen elektrischen Feldern auf die Diamantbildung. In der Fachzeitschrift „Science Advances“ präsentieren sie ihr Experiment, mit dem sie die extremen Bedingungen im Erdmantel nachstellen und erfolgreich Diamanten herstellen konnten.

„Unsere Ergebnisse zeigen klar, dass elektrische Felder signifikant die Prozesse im Erdmantel beeinflussen können“, sagt Yuri N. Palyanov vom Institut für Geologie und Mineralogie der Russischen Akademie der Wissenschaften in Novosibirsk. Mit seinen Kollegen konstruierte er dazu eine Stempelpresse, mit der sie hohe Drücke zwischen 6,3 und 7,5 Gigapascal und Temperaturen von 1300 bis 1600 Grad Celsius erreichten. Zusätzlich schlossen sie an das Probengefäß zwei Elektroden an, um kleine elektrische Spannungsfelder aufzubauen.

In das Probengefäß der Stempelpresse füllten die Forscher in mehreren Versuchen verschiedene Mischungen aus Karbonat- und Silikat-Mineralien wie sie auch im Erdmantel vorliegen. Die Mischungen schmolzen sie bei bis zu 1600 Grad Celsius und pressten sie bis zu 40 Stunden lang unter hohen Drücken. Zugleich setzten sie die Karbonat-Silikat-Schmelzen elektrischen Spannungen zwischen 0,4 und einem Volt aus. Tatsächlich bildeten sich an der Kathode einige Mikrometer kleine Diamanten und zusätzlich metastabiles Grafit. Ohne elektrisches Spannungsfeld dagegen entstanden weder Grafit noch Diamantkristalle.

Diese Laborversuche zeigten, dass sich in einer aufgeheizten Schmelze Diamanten über elektrochemische Kristallisationsprozesse unter hohem Druck bilden können. Damit lieferten die Forscher ein weiteres Puzzleteil, um die natürliche Diamantbildung im Erdmantel zu erklären. Denn auch in der Tiefe ist es möglich, dass sich über Konvektionsbewegungen elektrisch leitfähiger Gesteinsschmelzen elektrische Spannungsfelder aufbauen. „Doch die Ergebnisse könnten auch zu neuen Methoden für eine Hochdrucksynthese von Diamant und anderen Kohlenstoffmaterialien führen“, sagt Palyanov.