De Beers verkauft synthetische Diamanten: So werden sie hergestellt

Aug 04, 2023

Professor für Materialphysik, Aberystwyth University

Andrew Evans erhält Fördermittel von EPSRC, der EU (WEFO) und Element Six.

Die Aberystwyth University stellt als Mitglied von The Conversation UK finanzielle Mittel bereit.

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Das weltgrößte Diamantenunternehmen De Beers gab kürzlich bekannt, dass es zum ersten Mal in seiner 130-jährigen Geschichte mit dem Verkauf von synthetischen Diamantedelsteinen beginnen werde. Künstliche Diamanten werden seit den 1950er Jahren hergestellt, aber De Beers hat sich lange dagegen gewehrt, in den synthetischen Markt einzusteigen. Das Unternehmen ist mittlerweile davon überzeugt, dass die Technologie effizient genug ist, um große Mengen synthetischer Diamanten in der Qualität der besten Edelsteine ​​herzustellen. Wie genau funktioniert dieser Prozess?

Diamant wird als transparenter Edelstein hoch geschätzt, der wie kein anderer funkelt. Außerdem ist es eines der härtesten Materialien überhaupt und fühlt sich kalt an. Alle diese bemerkenswerten Eigenschaften hängen von der vollkommen regelmäßigen Anordnung der Atome im Diamantkristall ab, und alle diese Atome sind genau gleich – sie sind Kohlenstoff.

Winzige Unvollkommenheiten in dieser Anordnung, sei es ein Atom an der falschen Stelle, ein Fehlen oder ein Atom aus einem anderen Element, können zu großen Farbveränderungen des Diamanten führen. Wenn beispielsweise ein Kohlenstoffatom von 10.000 durch ein Stickstoffatom ersetzt würde, würde sich ein transparenter Edelstein braun färben.

Die Anordnung der Kohlenstoffatome in diesem perfekten Kristall ist nicht einfach und kann auf der Erdoberfläche nicht auf natürliche Weise geschehen, da Kohlenstoff hier bevorzugt Kristalle aus Graphit bildet, dem weichen schwarzen Material, das wir für Bleistiftminen verwenden. In dieser Umgebung neigen Kohlenstoffatome auch dazu, sich leichter an andere Atome wie Sauerstoff und Wasserstoff zu binden als aneinander. Das bedeutet, dass selbst die Herstellung reiner Graphitkristalle schwierig ist.

Natürliche Diamanten werden tief im Erdinneren hergestellt, wo in sehr seltenen Fällen die richtigen Bestandteile bei der richtigen Temperatur und dem richtigen Druck zusammengebracht und dann über Millionen von Jahren an die Oberfläche transportiert werden. Die ersten künstlichen Diamanten wurden im Labor hergestellt, indem diese Bedingungen in riesigen Maschinen nachgebildet wurden, und auf diese Weise werden auch heute noch kleine Diamanten für industrielle Schneidwerkzeuge hergestellt.

Es ist auch möglich, hochwertige künstliche Diamantkristalle herzustellen, indem man mit Methan Schichten von Kohlenstoffatomen nacheinander wachsen lässt. Dies geschieht durch die Entfernung von Wasserstoff aus Methanmolekülen in superreinen Gefäßen mithilfe heißer Plasmen. Der gesamte Kohlenstoff wird dann gezwungen, zu Diamantkristallen zu wachsen und nicht zu einer der vielen anderen Arten von Kohlenstoff wie Graphit, Graphen oder Buckminster-Fulleren (es sei denn, Sie möchten natürlich Kombinationen dieser sehr unterschiedlichen Materialien züchten).

Die Herausforderung besteht darin, diesen als chemische Gasphasenabscheidung (CVD) bezeichneten Prozess kosteneffizient zu gestalten. De Beers glaubt nun, diesen Punkt erreicht zu haben und plant, die Produktion in seinem Werk in Ascot im Vereinigten Königreich und in einer neuen Diamantenfabrik in den USA zu erweitern.

Die Kontrolle der Reinheit dieser Kristalle eröffnet auch neue Möglichkeiten für die Verwendung von Diamant. Beispielsweise ist es möglich, jede atomare Verunreinigung als winzige Fackel zu verwenden, die ein einzelnes Lichtteilchen erzeugt, das frei von Störungen durch die benachbarten Atome im Kristall ist. Damit lässt sich ein einzelnes Informationsbit für einen speziellen „Quanten“-Computer speichern. Borverunreinigungen werden nicht nur zur Herstellung wertvoller tiefblauer oder schwarzer Diamanten verwendet, sondern auch zur Herstellung elektrisch leitender Diamanten, die unter extremen Bedingungen wie im Weltraum ein alternatives Material zu Silizium oder Metallen darstellen.

Jeder natürliche Diamant trägt Hinweise auf seine einzigartige Geschichte und es ist möglich, seine Herkunft durch die Untersuchung mit den neuesten Instrumenten zu enthüllen. Auch künstliche Diamanten tragen diese Informationen und Unterschiede in der Art und Weise, wie sie im ultravioletten Licht leuchten, werden regelmäßig verwendet, um natürliche von synthetischen Edelsteinen zu unterscheiden. Auch wenn die Perfektion des Diamanten mit dem menschlichen Auge nicht in Frage gestellt werden kann, sind seine winzigen Unvollkommenheiten immer vorhanden, um seine verborgene Geschichte und seine Individualität zu offenbaren.