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Nanodiamanten aus Flaschenplastik

Edelstein-Herstellung aus PET gibt Aufschluss über Diamantbildung in Neptun und Uranus

Diamanten aus Plastik
Die Bedingungen, die auf der PET-Folie bei der Diamantenherstellung durch den Laser hervrgerufen werden, gleichen denen im Inneren der Eisriesen Neptun und Uranus. © HZDR / Blaurock

Diamanten wie im Neptun: Aus Kunststoffen wie PET lassen sich Nanodiamanten erzeugen, wie ein Experiment belegt. Dafür beschossen Forschende eine PET-Folie mit Laserstrahlen und erzeugten so genügend Druck und Hitze, um den Kohlenstoff aus dem Plastik zu Diamanten zu komprimieren. Spannend ist dies deshalb, weil unter ganz ähnlichen Bedingungen auch Diamanten im Inneren großer Eisplaneten wie Uranus und Neptun entstehen können. Dort regnet es wahrscheinlich sogar riesige Diamanten, wie das Team in „Science Advances“ berichtet.

Diamanten entstehen, wenn Kohlenstoff unter hohem Druck und hohen Temperaturen zusammengepresst wird. Auf der Erde geschieht dies nur in manchen Bereichen des Erdmantels, größere Planeten wie die extrasolare Supererde 55 Cancri e oder auch die Eisriesen Uranus und Neptun in unserem Sonnensystem bieten hingegen günstigere Bedingungen. In ihnen könnte es sogar riesige Diamanten regnen. Wie die Edelsteine in solchen Planeten entstehen, erforschen Wissenschaftler mithilfe von Laborexperimenten.

Eine der dafür verwendeten Methoden beschießt dünne Kohlenwasserstoff-Folien mit starken Laserstrahlen. Dies kann das Material einen Wimpernschlag lang auf bis zu 6.000 Grad erhitzen und erzeugt eine Schockwelle, die es für einige Nanosekunden aufs Extremste komprimiert. „Bislang haben wir solche Versuche mit Folien aus Kohlenwasserstoffen gemacht“, erklärt Dominik Kraus vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). „Dabei konnten wir feststellen, dass sich unter dem Extremdruck winzige Diamanten bilden, sogenannte Nanodiamanten.“

Mehr als nur Kohlen- und Wasserstoff

Ein Forscherteam um Kraus und Erstautor Zhiyu He vom HZDR hat das Verfahren nun weiter verbessert. Das Problem bisher: Die in den Experimenten verwendeten Folien konnten die Bedingungen im Inneren der Eisriesen nur bedingt widerspiegeln. Dort gibt es nämlich nicht nur Kohlen- und Wasserstoff, sondern auch Sauerstoff. Auf der Suche nach einem geeigneten Material stießen die Wissenschaftler auf den Allerweltsstoff PET – den Kunststoff, aus dem viele Plastikflaschen bestehen. „Bei PET liegen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff in einem guten Verhältnis vor, um die Geschehnisse in Eisplaneten zu simulieren“, erklärt Kraus.

In ihrem Experiment verwendeten die Wissenschaftler eine 100 Mikrometer dünne PET-Folie, die mit einem Laserimpuls beschossen wurde. Unter einem Druck von etwa 100 Gigapascal wurde sie so auf knapp 6.000 Grad Celsius erhitzt. Um beobachten zu können, was in dem gerade einmal acht Nanosekunden dauernden Experiment vor sich geht, führten He und sein Team die Versuche unter Verwendung der Linac Coherent Light Source (LCLS) in Kalifornien durch. Mit diesem beschleunigerbasierten Röntgenlaser können Vorgänge in einer Größenordnung von 50 Femtosekunden beobachtet werden.

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Kiloweise Diamanten und superionisches Wasser

Das Ergebnis: „Unter dem Einfluss von Sauerstoff wurde die Trennung von Kohlen- und Wasserstoff beschleunigt und damit die Entstehung der Nanodiamanten gefördert“, erklärt Kraus. Die Resultate legen deshalb nahe, dass es – wie bereits vermutet – im Inneren der Eisriesen tatsächlich Edelsteine regnet. Die Forscher vermuten jedoch, dass diese deutlich größer sind, indem sie über tausende Jahre durch die Eisschichten der Planeten sinken und so ein Gewicht von mehreren hundert Kilogramm erreichen.

Das Team um Kraus stieß bei der Diamanten-Synthese auf ein weiteres Phänomen: „Es sollte sich sogenanntes superionisches Wasser gebildet haben. Dabei formen die Sauerstoffatome ein Kristallgitter, in dem sich Wasserstoffkerne frei bewegen“, erklärt Kraus. Da die Kerne elektrisch geladen sind, kann superionisches Wasser elektrische Ströme leiten und so zur Bildung des Magnetfelds der Eisriesen beitragen. Ob beim Beschuss der PET-Folie tatsächlich superionisches Wasser entsteht, konnte in den Experimenten jedoch noch nicht zweifelsfrei belegt werden. Die Forscher wollen der Sache aber mit Versuchen am European XFEL weiter nachgehen.

Nanodiamanten aus der Laserfabrik

Obwohl die mögliche Produktion von Diamanten nicht im Mittelpunkt der Forschung stand, so könnte das Verfahren dennoch zu einer nachhaltigeren Herstellungsmethode für die vielseitig einsetzbaren Nano-Edelsteine führen. „Die Art und Weise, wie Nanodiamanten derzeit hergestellt werden, ist, dass man ein Bündel Kohlenstoff oder Diamant nimmt und es mit Sprengstoff in die Luft jagt“, erklärt Koautor Benjamin Ofori-Okai vom Stanford Linear Accelerator Center. „Die Größen und Formen der Diamanten sind dabei nur schwer zu kontrollieren. Die Laserproduktion könnte hierfür eine sauberere und steuerbare Alternative bieten.“

Im Moment kommen Nanodiamanten hauptsächlich in Schleif- und Poliermitteln zum Einsatz, zukünftig könnten sie aber auch für Quantensensoren, medizinische Kontrastmittel oder als Reaktionsbeschleuniger zur Spaltung von CO2 dienen. Das Forscherteam stellt sich die Produktion der Edelsteine so vor, dass ein Hochleistungslaser zehnmal pro Sekunde auf eine durchlaufende PET-Folie strahlt, wodurch die Nanodiamanten aus der Folie herausgeschossen werden. In einem Auffangbecken werden sie dann abgebremst und können herausgefiltert werden.

„Damit ließen sich Nanodiamanten gezielt maßschneidern, etwa was ihre Größe oder auch eine Dotierung mit Fremdatomen betrifft“, erklärt Kraus. „Mit dem Röntgenlaser besitzen wir nun ein Laborwerkzeug, mit dem sich das Größenwachstum der Diamanten genau kontrollieren lässt.“ (Science Advances, 2022; doi: 10.1126/sciadv.abo0617)

Quelle: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

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