Diamanten könnten bald sein jeder ist bester Freund, denn Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, die kostbaren Edelsteine aus gebrauchten Plastikflaschen herzustellen.
Ihre Technologie könnte dazu beitragen, Kunststoffabfälle zu begrenzen, da die recycelten Nanodiamanten eine Vielzahl von Anwendungen haben, einschließlich medizinischer Sensoren und Arzneimittelabgabe.
Forscher des SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien beabsichtigten, das Phänomen des „Diamantregens“ nachzubilden, das im Inneren von Neptun und Uranus auftritt.
In diesen Eisriesen herrschen Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius und der Druck ist millionenfach höher als in der Erdatmosphäre.
Es wird angenommen, dass diese Bedingungen in der Lage sind, Kohlenwasserstoffverbindungen aufzuspalten und dann die Kohlenstoffkomponente zu Diamanten zu komprimieren, die tiefer in die Kerne der Planeten einsinken.
Um diesen Prozess nachzuahmen, feuerten die Wissenschaftler einen Hochleistungslaser auf Polyethylenterephthalat (PET)-Kunststoff – ein Kohlenwasserstoffmaterial, das häufig in Einwegverpackungen verwendet wird – und beobachteten das Wachstum von diamantähnlichen Strukturen.
“PET hat ein gutes Gleichgewicht zwischen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, um die Aktivität auf Eisplaneten zu simulieren”, sagte Dominik Kraus, Physiker am HZDR und Professor an der Universität Rostock.
Um die Bildung von „Diamantenregen“ nachzuahmen, die in Eisriesen auftritt, feuerten Wissenschaftler einen Hochleistungslaser auf Polyethylenterephthalat (PET)-Kunststoff – ein Kohlenwasserstoffmaterial, das üblicherweise in Einwegverpackungen verwendet wird – und beobachteten das Wachstum diamantartiger Strukturen.
Mit einer Methode namens Röntgenbeugung beobachteten die Wissenschaftler, wie sich die Atome im PET zu kleinen Diamantregionen neu anordneten, und maßen auch, wie groß und schnell sie wuchsen. Durch die Anwesenheit von Sauerstoff im Material stellten sie jedoch fest, dass die Nanodiamanten bei niedrigeren Drücken und Temperaturen als bisher beobachtet wachsen konnten
Es ist bekannt, dass Mischungen von Verbindungen aus Wasserstoff und Kohlenstoff etwa 5.000 Meilen unter der Oberfläche von Uranus und Neptun vorhanden sind.
Dazu gehört Methan, ein Molekül mit nur einem Kohlenstoff, der an vier Wasserstoffatome gebunden ist, was den deutlichen Blaustich von Neptun verursacht.
In einer Studie aus dem Jahr 2017 simulierte das SLAC-Team zum ersten Mal erfolgreich den Diamantregenprozess, indem es seinen optischen Laser auf Polystyrol abfeuerte.
Polystyrol wurde verwendet, um die Struktur von Methan nachzuahmen, da es ebenfalls nur Wasserstoff und Kohlenstoff enthält.
Die intensiven Röntgenstrahlen erzeugten Schockwellen im Material, und die Wissenschaftler beobachteten, wie Kohlenstoffatome in kleine Diamantstrukturen mit einer Breite von bis zu wenigen Nanometern eingebaut wurden.
“Aber innerhalb von Planeten ist es viel komplizierter”, sagte Siegfried Glenzer, Direktor der High Energy Density Division am SLAC.
„Da sind viel mehr Chemikalien in der Mischung. Also wollten wir hier herausfinden, welche Wirkung diese zusätzlichen Chemikalien haben.“
Eisriesen sollen neben Kohlenstoff und Wasserstoff große Mengen an Sauerstoff enthalten.
Die Wissenschaftler wollten herausfinden, welche Wirkung das Element auf die Bildung von Nanodiamanten im Inneren von Neptun und Uranus hat.
Dazu wiederholten sie ihr früheres Experiment mit einer Folie aus PET-Kunststoff – einem Kohlenwasserstoff, der auch Sauerstoff enthält – der die Zusammensetzung der Planeten genauer wiedergibt.
Innerhalb von Neptun und Uranus herrschen Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius, und der Druck ist millionenfach höher als in der Erdatmosphäre. Es wird angenommen, dass diese Bedingungen in der Lage sind, Kohlenwasserstoffverbindungen aufzuspalten und dann die Kohlenstoffkomponente zu Diamanten zu komprimieren, die tiefer in die Kerne der Planeten einsinken. Die Wissenschaftler wollten herausfinden, welche Wirkung der Sauerstoff auf die Bildung von Nanodiamanten innerhalb der Planeten hat
Sie verwendeten einen leistungsstarken optischen Laser an der Linac Coherent Light Source von SLAC, um die Probe kurzzeitig auf 6.000 °C (10.800 °F) zu erhitzen.
Dadurch wurde eine Druckwelle erzeugt, die das Material für wenige Nanosekunden auf das Millionenfache des atmosphärischen Drucks komprimierte.
Mit einer Methode namens Röntgenbeugung beobachteten die Wissenschaftler, wie sich die Atome in kleine Diamantregionen neu anordneten, und maßen auch, wie groß und schnell sie wuchsen.
Durch die Anwesenheit von Sauerstoff im Material stellten sie jedoch fest, dass die Nanodiamanten bei niedrigeren Drücken und Temperaturen als bisher beobachtet wachsen konnten.
“Die Wirkung des Sauerstoffs bestand darin, die Spaltung von Kohlenstoff und Wasserstoff zu beschleunigen und so die Bildung von Nanodiamanten zu fördern”, sagte Dr. Kraus.
“Das bedeutete, dass sich die Kohlenstoffatome leichter verbinden und Diamanten bilden konnten.”
Am Instrument Matter in Extreme Conditions (MEC) an der Linac Coherent Light Source des SLAC stellten Forscher die extremen Bedingungen nach, die in Neptun und Uranus zu finden sind
Sie verwendeten einen leistungsstarken optischen Laser an der Linac Coherent Light Source von SLAC, um die Probe kurzzeitig auf 6.000 °C (10.800 °F) zu erhitzen. Dadurch wurde eine Druckwelle erzeugt, die das Material für wenige Nanosekunden auf das Millionenfache des atmosphärischen Drucks komprimierte
Die Forscher sagen voraus, dass die Diamanten in Neptun und Uranus tatsächlich viel größer werden würden als die in diesen Experimenten produzierten – potenziell Millionen Karat an Gewicht.
Dies könnte bedeuten, dass diese schwereren Kristalle über Tausende von Jahren durch die Planeten sinken und eine dicke Schicht um den festen Planetenkern bilden.
Zusätzlich zu den Diamanten wurden in den Experimenten Beweise dafür gefunden, dass sich innerhalb der Planeten „superionisches Wasser“ bilden könnte.
Dieser entsteht, wenn Wassermoleküle durch die hohen Temperaturen und Drücke auseinander brechen.
Die Sauerstoffatome bilden dann eine regelmäßige Gitterstruktur, in der die restlichen Wasserstoffatome herumschweben und geladen Strom leiten können.
Die Strömungen, die diese einzigartige Wasserphase trägt, könnten die ungewöhnlichen Magnetfelder auf Uranus und Neptun erklären.
Diese Ergebnisse, die heute in Science Advances veröffentlicht wurden, könnten unser Verständnis von Eisriesen außerhalb unseres Sonnensystems beeinflussen, bei denen möglicherweise dieselben Phänomene auftreten.
Da die Anwesenheit von Sauerstoff die Bildung von Diamanten wahrscheinlicher macht, tritt sie wahrscheinlich auch auf anderen Planeten unter ihren einzigartigen inneren Bedingungen auf.
Die Forscher wollen ähnliche Experimente mit Proben durchführen, die Ethanol, Wasser und Ammoniak enthalten – allesamt auf Uranus und Neptun vorhanden –, um der Simulation näher zu kommen, was im Inneren anderer Planeten vor sich gehen könnte.
Die Studie hat auch einen Weg aufgezeigt, Nanodiamanten herzustellen, indem lasergetriebene Stoßwellen in billigen PET-Kunststoffen erzeugt werden
Nanodiamanten werden bereits in Schleif- und Poliermitteln verwendet, könnten aber in Zukunft auch für Quantensensoren oder zur Beschleunigung von Reaktionen für erneuerbare Energien wie die Spaltung von Kohlendioxid eingesetzt werden.
“Die Art und Weise, wie Nanodiamanten derzeit hergestellt werden, besteht darin, ein Bündel Kohlenstoff oder Diamant zu nehmen und es mit Sprengstoff zu sprengen”, sagte SLAC-Wissenschaftler und Mitarbeiter Benjamin Ofori-Okai.
„Dadurch entstehen Nanodiamanten in verschiedenen Größen und Formen, die schwer zu kontrollieren sind.
„Was wir in diesem Experiment sehen, ist eine unterschiedliche Reaktivität derselben Spezies unter hoher Temperatur und hohem Druck.
„In einigen Fällen scheinen sich die Diamanten schneller zu bilden als andere, was darauf hindeutet, dass das Vorhandensein dieser anderen Chemikalien diesen Prozess beschleunigen kann.
„Die Laserproduktion könnte eine sauberere und leichter zu kontrollierende Methode zur Herstellung von Nanodiamanten bieten.
“Wenn wir Möglichkeiten entwickeln können, einige Dinge an der Reaktivität zu ändern, können wir ändern, wie schnell sie sich bilden und wie groß sie daher werden.”
WIE ENTSTEHEN DIAMANTEN?
Natürlich vorkommende Diamanten wurden vor über 3 Milliarden Jahren tief in der Erdkruste unter Bedingungen intensiver Hitze und Drucks gebildet.
Diese Bedingungen bewirken, dass Kohlenstoffatome kristallisieren und Diamanten bilden.
Diamanten werden in einer Tiefe von ungefähr 150 bis 200 Kilometern (93 – 124 Meilen) gefunden.
Hier herrschen Temperaturen von durchschnittlich 900 bis 1.300 Grad Celsius und Drücke von 45 bis 60 Kilobar (das entspricht etwa dem 50.000-fachen des atmosphärischen Drucks an der Erdoberfläche).
Unter diesen Bedingungen bilden sich auch geschmolzener Lamproit und Kimberlit (bekannt als Magma) im oberen Erdmantel, die sich schnell ausdehnen.
Diese Expansion bewirkt, dass das Magma ausbricht, es an die Erdoberfläche zwingt und diamanthaltiges Gestein mit sich nimmt.
Das Magma bricht aus, indem es ein „Rohr“ zur Oberfläche bildet, und wenn es abkühlt, härtet das Magma zu Kimberlit aus und setzt sich in vertikalen Strukturen ab, die als Kimberlit-Rohre bezeichnet werden.
Diese Pfeifen sind die wichtigsten Quellen für Diamanten, aber nur etwa eine von 200 Kimberlitpfeifen enthält Diamanten in Edelsteinqualität.
Der Name „Kimberlite“ stammt aus der südafrikanischen Stadt Kimberley, wo die ersten Diamanten in dieser Gesteinsart gefunden wurden.
Quelle: Diamantenmuseum Kapstadt