Vom Edelstein zur Bleistiftmine

News: Vom Edelstein zur Bleistiftmine

Das eine ist Luxus, das andere kennt jedes Kind - Diamanten und Graphit. Beide bestehen sie aus reinem Kohlenstoff, der Unterschied liegt nur in der Anordnung der Atome zueinander. Schon seit längerem ist bekannt, daß sich Graphit unter hohem Druck in Diamant umwandeln läßt. Wissenschaftlern ist jetzt auch der umgekehrte Weg gelungen: unter nicht-hydrostatischem Druck konnten sie aus Diamant Graphit herstellen. Entscheidend dafür sind Scherkräfte, welche die Kristallstruktur verändern.

Diamant und Graphit bestehen aus dem gleichen Baustein: reinem Kohlenstoff. Während Diamant aber extrem hart und spröde ist und farblose Kristalle bildet, ist Graphit weich, dunkelgrau und leicht spaltbar. Die großen Unterschiede kommen durch verschiedene Kristallstrukturen zustande, eine unterschiedliche Anordnung der Kohlenstoffatome zueinander. Seit den sechziger Jahren haben Wissenschaftler untersucht, wie sich Diamant unter Druck verändern läßt. Doch verhielt sich seine Struktur nicht wie bei den verwandten Elementen Silicium, Germanium und Zinn. Prof. Klaus Georg Nickel und Andreas Kailer vom Institut für Mineralogie, Petrologie und Geochemie der Universität Tübingen haben nun zusammen mit einem US-amerikanischen Forscher entdeckt, daß Diamant unter nicht-hydrostatischem Druck zu Graphit umgeformt werden kann. Die Ergebnisse dieser Forschungen wurden am 14. Oktober 1999 in Nature veröffentlicht.

Die Mineralogen untersuchten, was mit einem Diamanten passiert, wenn eine spitze Diamantpyramide gegen seine Oberfläche gepreßt wird. Mit einer speziellen Spektroskopie-Methode, der Mikro-Raman-Spektroskopie, analysierten sie die bearbeiteten Materialstellen. Dabei tastet ein Laser unter einem Mikroskop mit einer Auflösung bis zu einem tausendstel Millimeter die Oberfläche der Untersuchungsobjekte ab, ohne diese zu zerstören. Die Forscher stellten fest, daß der Diamantkristall an der bearbeiteten Stelle kein Diamant mehr war, sondern sich in Graphit umgewandelt hatte. Das Gleiche ließ sich an der Spitze der Diamantpyramide beobachten.

Dies erscheint widersprüchlich zu der lange bekannten Tatsache, daß Graphit unter hohem Druck in Diamant verwandelt werden kann. Die Forscher erklären ihre Beobachtungen jedoch mit den unterschiedlichen Kräften, die beim Zerkratzen der Oberfläche und hydrostatischem Druck auf den Diamanten einwirken. Beim Kratzen würde das Kristallgitter nicht nur wie unter hydrostatischem Druck verdichtet, sondern es wirkten auch Scherkräfte darauf ein, die die Kristallstrukturen verändern. Als stabiles Endprodukt entstehe dabei Graphit. Damit ließe sich auch erklären, warum sich beim Schleifen oder Schneiden von Diamanten an den bearbeiteten Stellen eine schwarze Schicht bilden kann.

Normalerweise erscheint es nicht sinnvoll, wertvolle Diamanten in billigen Graphit zu verwandeln, der früher für Bleistiftminen verwendet wurde. Für die Forscher sind diese Experimente jedoch sehr aufschlußreich, um die besonderen Materialeigenschaften von Diamanten besser zu verstehen. Beim Bearbeiten eines Materials wird ein Werkzeug benötigt, das härter ist als das Material selbst. Diamant bildet eine Ausnahme: Er läßt sich mit Diamantwerkzeugen bearbeiten. Diese Besonderheit können die Forscher nun durch ihre Experimente erklären. Außerdem sind die Erkenntnisse wichtig, um effektivere und billigere Methoden zur Bearbeitung von Diamanten zu entwickeln. Sie könnten, schätzen die Wissenschaftler, dann in neuen technischen Bereichen breitere Anwendung finden.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 3.7.1998
"Der bessere Diamant?"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Ticker vom 16.4.1998
"Eine verschleißfreie Diamantenschicht"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)