Diamanten sind eines der härtesten Materialien der Welt und gelten als unvergänglich. Doch die kompakten Kohlenstoffkristalle sind auch ein vielseitiges und begehrtes Hightech-Material: Sie erzeugen Lichtblitze, entwickeln beim Verformen neuartige Eigenschaften und können als Matrix für Quantenbits dienen. Bei der Laser-Kernfusion bilden winzige Diamantkapseln die Hülle für den Fusionsbrennstoff aus Deuterium und Tritium.
Es gibt aber Bedingungen, unter denen selbst ein Diamant nachgeben muss: Setzt man ihn einem extremen Druck aus, schmilzt der Kohlenstoffkristall – es entsteht flüssiger Kohlenstoff. Aber wann und wie dieser Übergang geschieht, ist bislang unklar. Der Grund: Zum einen gibt es nur wenige Anlagen auf der Welt, in denen die nötigen Drücke von mehr als einem Terapascal erzeugt werden können. Erste Schmelzmessungen mit Diamanten gelangen daher erst vor rund 20 Jahren.
Rätselhafte Diskrepanz
Doch diese Hochdruck-Experimente ergaben Unerwartetes: Die Schmelztemperatur des Diamants wich um 1500 Kelvin von den Vorhersagen der theoretischen Modelle ab – das entspricht einer Differenz von 20 Prozent. Umgekehrt ließen sich die Versuchsergebnisse nicht in den Modellen abbilden. „Egal, was die Theoretiker anstellten, selbst mit den fortgeschrittensten Computersimulationen gelang es ihnen nicht, diese Experimente zu reproduzieren“, berichtet Marius Millot vom Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien.
Und noch etwas gibt Rätsel auf: In einem Hochdruck-Experiment im Jahr 2008 beobachteten US-Physiker Anzeichen für einen Übergangszustand im Diamant. Ihren Daten zufolge könnte sich das Kristallgitter des Edelsteins kurz vor dem Schmelzen umformen und eine neue, sogenannte BC8-Struktur bilden. Ob diese Übergangs-Kristallstruktur im Diamant jedoch wirklich existiert, ist seither strittig.
Im Diamant bilden die Kohlenstoffatome ein besonders dichtes und stabiles Kristallgitter. Das verleiht ihm seine Stabilität – und sein besonderes Funkeln. — © RHJ/ iStock
Diamant unter Laserbeschuss
Mehr Klarheit liefert jetzt ein neues Experiment. Millot und sein Team nutzten dafür eine Hochleistungs-Laseranlage an der University of Rochester im US-Bundesstaat New York. „Im Experiment schießen starke, auf einen Millimeter fokussierte Ultraviolett-Laserpulse in ein Zielensemble, das dünne Plättchen aus synthetischem Diamant enthält“, berichtet das Team. Dieser Beschuss erzeugt Schockwellen, die innerhalb von Nanosekunden den Diamant durchlaufen und ihn
mit Drücken von 400 Gigapascal bis 1,2 Terapascal komprimieren.
„Wir konnten die Diamantproben mithilfe der Schockwellen auf Temperaturen heißer als die Sonnenoberfläche erhitzen und sie stärker komprimieren als in den Kernen von Neptun und Uranus“, berichtet Millot. Um zu beobachten, was in diesen Milliardstel Sekunden im Diamantkristall passiert, bestrahlten sie die Probe parallel mit Röntgenstrahlen. „Es war das erste Mal, dass ein schockkomprimierter Diamant lückenlos bis zum Schmelzen mittels Röntgenbeugung beobachtet werden konnte“, sagt Millot. „Eine solche Messung ist extrem schwierig, weil die Kohlenstoffatome relativ klein sind und Röntgenstrahlen nur sehr wenig streuen.“
Wie Diamantkristalle schmelzen
Doch es gelang: Bei einer Temperatur von rund 7000 Grad und einem Druck von rund 0,75 Terapascal begannen die Diamanten zu schmelzen. Dies zeigte sich in einer geringer werdenden Durchlässigkeit für die Röntgenstrahlung. Bei einem Terapascal war dann der gesamte Kohlenstoffkristall geschmolzen, die Temperatur lag an diesem Punkt bei rund 6720 Grad. „Wir beobachteten an diesem Punkt einen deutlichen Abfall der Röntgenhelligkeit auf nur noch ein Zehntel, am Schluss lag die Durchlässigkeit fast bei null“, berichten die Physiker.
Aus diesen Werten ergibt sich, dass der Schmelzpunkt des Diamants rund 1000 Grad niedriger liegt als bei den früheren Experimenten gemessen. Damit stimmt er nun deutlich besser mit den theoretischen Modellen überein. „Es ist zwar frustrierend, dass wir bei unseren damaligen Temperaturmessungen um 1000 Grad daneben lagen“, sagt Seniorautor Jon Eggert, der die früheren Versuche durchgeführt hat. „Dafür ist unsere ursprüngliche Erwartung jetzt mittels Röntgendiffraktion bestätigt.“
Kein kristalliner Zwischenzustand
Und auch die Frage nach dem Zwischenzustand konnten die Physiker klären: Im Experiment behielten die Diamanten ihre ursprüngliche Kristallstruktur bis zum Schmelzen weitgehend unverändert bei, wie die Röntgenanalysen zeigten. Dies widerlegt die frühere Annahme, nach der das Diamantgitter sich vor dem Schmelzen erst noch in eine andere feste Kristallstruktur umlagert. „Wir vermuten, dass der Schock dem Diamant dazu einfach keine Zeit lässt: Er bleibt in der Diamantkristallstruktur gefangen“, erklärt Millot.
Damit löst ihr Experiment gleich zwei Rätsel rund um schmelzende Diamanten: Es bringt theoretische Modelle und die im Experiment gemessenen Werte näher zusammen und es zeigt, dass es keine kristalline BC8-Übergangsphase gibt.
Wichtig sind diese Erkenntnisse nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für praktische Anwendungen, beispielsweise bei der lasergestützten Kernfusion: „Unsere Resultate deuten darauf hin, dass wir etwas geringere Anfangsschocks nutzen können, um die Diamantkapsel um den Fusionsbrennstoff zu schmelzen“, sagt Millot. „Das wurde bei gleicher Laserenergie die erreichbare Energieausbeute erhöhen.“
Quelle: Marius Millot et al. (Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, Kalifornien), Nature Physics, 2026; doi: 10.1038/s41567-026-03413-1
