Die ewige Härte hat ein Ende: So schmolz man einen Diamanten
Der Diamant ist das härteste natürliche Mineral der Erde, ein Symbol für Ewigkeit und Hauptakteur einer Milliarden Dollar schweren Industrie. Doch auch dieser Ruf der Unbesiegbarkeit hat Grenzen. Eine neue Studie, veröffentlicht in Nature Physics, konnte erstmals den Schmelzvorgang von Diamant unter extremen Bedingungen bis ins Detail beobachten und damit ein Rätsel lösen, das zwanzig Jahre lang experimentelle Physiker gegen theoretische Simulationen aufbrachte.
Ein Team um den Physiker Marius Millot am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) komprimierte winzige Diamantproben mittels Schockwellen, die in der Laseranlage OMEGA der University of Rochester erzeugt wurden. Die Drücke erreichten zwischen 600 Gigapascal und 1,8 Terapascal – mehr als das Dreifache der Erdkern-Drücke – bei Temperaturen über den an der Sonnenoberfläche.
Das Rätsel: Eine Flüssigkeit, die schwerer ist als der Feststoff
Die Ursprünge der Kontroverse reichen zurück zu den Experimenten von Jon Eggert und seinem Team am LLNL, ebenfalls in den 2000er Jahren. Sie entdeckten ein Besonderheiten: Bei extremen Drücken ist das flüssige Kohlenstoff, das aus dem Schmelzen des Diamanten entsteht, dichter als der feste Diamant selbst – eine Analogie zu Eis, das auf Wasser schwimmt. Dies war ein Meilenstein, warf aber auch Fragen auf: Die im Labor gemessenen Schmelztemperaturen stimmten nicht mit den Vorhersagen modernster Quanten-Simulationen überein, mit einer Abweichung von rund 20 %.
Zudem tauchte in Simulationen ein weiteres Rätsel auf: Möglicherweise bildet sich eine Kristallphase namens BC8, bevor der Diamant schmilzt. Dieses hypothetische Material wäre noch härter als Diamant und hätte Einfluss auf die Herstellung von superharten Materialien. Bis jetzt wurde ihre Existenz im Schmelzprozess nicht direkt beobachtet.
Das Experiment: Laser und eine milliardstel Sekunde
Um beide Probleme gleichzeitig zu lösen, nutzte das Team von Millot Laser, um die äußerste Schicht der Diamantproben zu verdampfen, wodurch Schockwellen entstanden und sie den genannten Druckbereich komprimierten. Die Herausforderung war, was in einem Zeitfenster von nur einer milliardstel Sekunde geschah. In dieser Zeit mussten sie Messdaten für Röntgenbeugung, Dichte, Temperatur und optische Reflexion erfassen.
Die Hürde war enorm, wie Millot gegenüber Science Alert erklärte: „Kohlenstoff ist ein kleines, leichtes Atom, das sehr wenig Röntgensignal streut.“ Trotzdem war die Messung ein Erfolg: Die neuen Werte setzten die Schmelztemperatur bei etwa 7.300 Kelvin (fast 7.000 Grad Celsius) für einen Druck um ein Terapascal – mehr als 1.000 Grad unter den bisherigen Schätzungen und dieses Mal in vollem Einklang mit der Quantentheorie.
Keine BC8-Phase: Die Überraschung des „eingefangenen“ Atoms
Das zweite Rätsel wurde ebenso klar gelöst: Während der einfachen Schockkompression wurde keine signifikante BC8-Phase entdeckt. Während die Röntgenstrahlen weiterhin kristallines Material zeigten, behielten die Atome die typische Diamantstruktur. Millot erklärt den Grund: „Die Probe hat nicht genug Zeit, sich neu zu organisieren und bleibt eingefangen in der Diamantstruktur.“ Das heißt, der Schmelzprozess ist so schnell, dass keine Zeit für diese Zwischenphase bleibt.
Dieser Fund bedeutet, dass BC8 scheint kein notwendiger Schritt im Schmelzen des Diamonds zu sein, zumindest nicht unter den untersuchten Bedingungen, und widerlegt damit eine Hypothese, die seit Jahren in der Hochdruckphysik kursierte.
Warum wichtig? Anwendungen bei Kernfusion und Planeten
Die Implikationen gehen weit über das Labor hinaus – und über den Diamant selbst. Das erste Anwendungsfeld ist die Fusionsenergie. In der National Ignition Facility (NIF) am LLNL werden kleine Diamantkapseln verwendet, um den Treibstoff zu halten, die die Laser zur Kernfusion komprimieren. Bisher nutzten die Ingenieure einen relativ starken ersten Schock, um sicherzustellen, dass der Diamant vollständig schmilzt.
Mit der neuen Schmelzkarte könnte man eine langsameren ersten Schock verwenden, ohne das Schmelzen zu verhindern – das würde den Treibstoff besser komprimierbar machen und könnte zu einer stärkeren Endimplosion führen. Die Berechnungen des Teams zeigen, dass diese Anpassung die Energieausbeute verdreifachen könnte, sofern andere Leistungsverlustquellen kontrolliert werden.
Andererseits liefern die Daten auch bessere Modelle für das Innere der Eisgiganten Uranus und Neptun. Seit den 1980ern spekuliert man, dass sich in den Tiefen dieser Planeten Kohlenstoff in Form von Diamant kristallisieren könnte und dann ins Innere „regnet“ – ein Diamantregen. Obwohl die Experimente bei höheren Drücken als im Inneren dieser Planeten lagen, können die neuen Daten helfen, die Bedingungen zu verfeinern, unter denen Diamant stabil ist oder schmilzt.
Key-Fakten der Entdeckung
- Publikation: Nature Physics
- Institution: Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)
- Drücke: zwischen 600 GPa und 1,8 TPa
- Dauer des Ereignisses: 1 milliardstel Sekunde
- Gemessene Schmelztemperatur: 7.300 K (1.000 K niedriger als bisherige Schätzungen)
- BC8-Phase: nicht im Experiment entdeckt