Kristalline Extremisten

Auch außerirdische Kräfte waren am Werk. Als vor 15 Millionen Jahren im Nördlinger Ries ein Meteorit einschlug, bildete sich nicht nur ein Krater von rund 25 Kilometer Durchmesser (siehe Beitrag „Inferno in Deutschlands Urzeit“ ab Seite 14). Durch die Aufprallwucht des kilometergroßen kosmischen Geschosses entstanden auch jede Menge Diamanten. Innerhalb weniger Minuten, so vermuten die Forscher, kristallisierten nach dem Crash rund 72.000 Tonnen mikroskopisch feiner Diamanten aus. Viele davon sind im Mauerwerk der mittelalterlichen Kleinstadt Nördlingen verbaut, die mitten im Zentrum des Ries liegt.

Diamanten aus der Retorte

Die künstliche Herstellung gelingt erstaunlich gut: Derzeit werden weltweit pro Jahr 14,5 Millionen Karat an Diamanten produziert. Das entspricht 2,9 Tonnen – und ist ein Multimilliarden-Geschäft. Um zu künstlichen Diamanten zu gelangen, gibt es mehrere Verfahren. Seit 1955 werden die begehrten Steine in sogenannten Hochdruckverfahren produziert. Dabei wird Grafit in einer hydraulischen Presse mit 60.000 Bar, also dem 60.000-Fachen des irdischen Luftdrucks, und Temperaturen über 1500 Grad Celsius zusammengepresst. Unter diesen brachialen Bedingungen bilden sich Diamanten, weil die Form ihres Kristallgitters – Experten sprechen von einer kubischen Geometrie – dann den energetisch günstigsten und damit stabilsten Zustand darstellt.

In einem anderen Verfahren wird der Grafit in einer Vakuumkammer aus einem erhitzten Gasgemisch – etwa aus Methan und Wasserstoff – direkt auf eine Metalloberfläche aufgedampft. So entsteht beispielsweise auf einem Werkzeug eine wenige Mikrometer dünne Diamantschicht.

Und bei einer dritten Methode lassen es die Chemiker so richtig krachen. „Das geht oft nur mit einem Rumms“, berichtet Anke Krueger. In kühlschrankgroßen Eisenbehältern, geschützt hinter dicken Mauern, produzieren die Werkstoffwissenschaftlerin und ihr Team Diamanten mit Sprengstoff per sogenannter Detonationssynthese. Im Blick haben sie dabei neue Anwendungen des kristallinen Kohlenstoffs. „Dazu erforschen wir die ganze Bandbreite der Materialeigenschaften von Diamanten – von der reibungsarmen Beschichtung bis hin zum Einsatz in der Medizin“, erläutert die Würzburger Chemikerin Krueger.

Künstlich fabrizierte Nanodiamanten gibt es in vielen Ländern der Welt zu kaufen, etwa in Japan, China, Russland, Frankreich und der Ukraine. Doch Anke Krueger gewinnt sie selbst aus Ruß, der nach einer Detonation zurückbleibt. Die Explosionsrückstände reinigt sie, um etwa Betonreste daraus zu entfernen. Allerdings ist es schwierig, die Diamanten aus den Resten der Explosion herauszufiltern. „Dafür nehmen wir zum Beispiel Ozon in einer Lösung und säubern damit die Nanodiamanten“, berichtet die Forscherin. Die Partikel sind dann immer noch stark aneinander gebunden und müssen mit sehr kleinen Mahlkörpern voneinander getrennt werden. „Erst dann bekommen wir reine Nanodiamanten“, sagt Krueger.

Die Geometrie macht den Unterschied

Doch was macht Diamanten so unvergleichlich hart und widerstandsfähig? Schließlich bestehen die kostbaren Kristalle aus den gleichen Kohlenstoff-Atomen wie weicher Grafit, der zum Beispiel als Material für Bleistiftminen Verwendung findet.

Was die beiden Stoffe voneinander unterscheidet, ist die geometrische Anordnung ihrer Atome. In Grafit bilden die Kohlenstoff-Atome übereinanderliegende flache Schichten aus atomaren Sechsecken, die nur durch schwache sogenannte Van-der-Waals-Kräfte aneinanderhaften. Sie entstehen durch eine leicht unsymmetrische Ladungsverteilung in den Atomen. In Diamanten hingegen arrangieren sich die Atome in starren kubischen Kristallen, in denen eine starke Bindung zwischen den Kohlenstoff-Atomen den Stoff zusätzlich härtet.

Das Wort „Diamant“ leitet sich vom griechischen „adámas“ ab, was so viel bedeutet wie „unzerbrechlich“. Doch auch Diamanten können unter dem Einfluss von starken Kräften zerbrechen, etwa unter einem Druck von mehr als 120.000 Bar, aber auch durch winzige Kristallfehler. Die Suche nach noch härteren und robusteren Materialien läuft daher schon seit einigen Jahrzehnten.

Mit dabei ist Natalia Dubrovinskaia, die am Labor für Kristallographie der Universität Bayreuth forscht. Mit zunehmendem Druck, erklärt die Materialforscherin, lassen sich immer neue Werkstoffe synthetisieren – auch solche, die Diamanten an Härte noch übertreffen. „In unseren Experimenten erreichen wir Drücke von mehreren Millionen Atmosphären sowie Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius“, berichtet Dubrovinskaia. Die aus der ehemaligen Sowjetunion stammende schwedische Wissenschaftlerin hat ihre Arbeit damit begonnen, die geometrische Struktur von Diamanten zu imitieren – allerdings ohne Kohlenstoff. Nur wenige Arten von Atomen lassen sich in die gleiche kubische Geometrie pressen wie dieser, darunter Bor und Stickstoff.

Q-Karbon: ein seltsamer neuer Stoff

Erst in den letzten Jahren haben sich bei diesen Versuchen Fortschritte gezeigt. Jagdish Narayan, ein US-amerikanischer Materialforscher der North Carolina State University in Raleigh brachte 2015 nichtkristallinen – amorphen – Kohlenstoff mit Laserpulsen zum Schmelzen. Danach erhitzte er ihn auf 3700 Grad Celsius und kühlte die Schmelze anschließend rasch ab. Das raffinierte Verfahren produzierte einen seltsamen, extrem harten Stoff: sogenanntes Q-Karbon (Q steht für englisch „quenching“, Abkühlung). Dass es sich dabei um eine neue Zustandsform handelt, belegen die Eigenschaften des Materials: Es ist ferromagnetisch, und es lässt sich zum Leuchten bringen. Solche Qualitäten eröffnen neuartige Anwendungen als superharte Beschichtung, in der Nanoelektronik oder als Hochtemperatur-Supraleiter, in dem ein elektrischer Strom auch noch bei ungewöhnlich „hohen“ Temperaturen von minus 180 Grad Celsius ohne Reibungswiderstand fließen kann. Q-Karbon enthält eine Mischung aus Kohlenstoff-Atomen, die ähnlich wie in Diamanten zusammenhalten, aber zu etwa 15 Prozent auch grafitartigen Kohlenstoff.

Die Härte des exotischen Materials zu messen, fordert die Forscher heraus. Aktuelle Schätzungen liegen bei „70 Prozent härter als Diamant“. Das Problem: Um die Härte eines Objekts zu messen, braucht es einen anderen Stoff, der noch härter ist. Denn die Messung geschieht mit feinen Spitzen, die so lange auf die Oberfläche des Messobjekts gedrückt werden, bis sein Material nachgibt. Doch die dafür gebräuchlichen diamantenen Spitzen taugen nicht bei einem Stoff, der offenbar deutlich härter ist als Diamant. Als Jagdish Narayan für seine Härtetests zunächst solche Spitzen benutzte, verbogen sie sich.

Hier kam Natalia Dubrovinskaia ins Spiel. 2015 hatte die Bayreuther Geologin eine andere ultraharte Variante des Kohlenstoffs entdeckt: nanokristalline Diamant-Kugeln. Diese Gebilde haben einen Durchmesser von gerade mal etwa 20 Mikrometern – das entspricht etwa einem Drittel des Querschnitts eines menschlichen Haars. Statt aus einem einzigen Kristallgitter wie in gewöhnlichen Diamanten sind die Nanokugeln aus unzähligen winzigen Einzelkristallen zusammengebacken. Jeder dieser Kristallkrümel misst nur wenige Nanometer, ist also im Durchmesser etwa ein Tausendstel so groß wie die gesamte Diamantkugel.

Zusammengehalten wird das Kristallgemisch durch Graphen – einen Stoff aus einzelnen, atomar dünnen Kohlenstoff-Schichten, für dessen Entdeckung es 2010 den Physiknobelpreis gab. Mit dieser neuen Zustandsform des Kohlenstoffs ließen sich zuvor undenkbar harte Prüfspitzen fertigen, mit denen sich sogar die Härte von Q-Karbon bestimmen lässt.

Die nanokristallinen Diamant-Kugeln zeigen, was in der Wunderwelt der diamantartigen Stoffe möglich ist. Während normale Diamanten spätestens bei einem Druck von 1,2 Millionen Bar zerbröseln, hat der neuartige Kristallstoff aus dem Labor von Natalia Dubrovinskaia eine fast viermal so hohe Festigkeit. Bei Experimenten in speziellen kleinen Kammern widerstand die Substanz sogar einem Kompressionsdruck von 100 Millionen Bar. Der Werkstoff ist damit härter als jede andere bekannte Substanz auf der Erde. Eine solche Eigenschaft erfordert einen ungewöhnlichen Vergleich: Der Druck entspricht dem von 3000 Elefanten, die übereinander auf einer kleinen Münze balancieren.

Planetenforschung im Labor

Die abenteuerliche Materialphysik von Diamanten und ähnlichen Werkstoffen könnte sogar helfen, Probleme der Astrophysik zu lösen. Denn sie ermöglicht es, im Labor das Innere großer Gasplaneten wie des Jupiters nachzuahmen, in deren Inneren ein extrem hoher Druck herrscht. Daneben führen die Materialien zu ganz praktischen irdischen Anwendungen, die weit über das Schneiden und Bohren hinausreichen. Nanokristalle werden zum Beispiel in Pulverform verwendet, um andere Substanzen wie medizinische Wirkstoffe durch die Haut in den Körper zu befördern.

Dass das funktioniert, hängt mit der winzigen Größe der Nanodiamanten zusammen. Als makroskopischer Stoff ist Diamant weitgehend chemisch inert, reagiert also fast nicht mit anderen Substanzen. „Man muss schon sehr rabiat vorgehen, um da etwas zu bewirken“, meint Anke Krueger. „Bei Nanopartikeln ist das ganz anders“, erklärt die Materialforscherin. „Dadurch, dass pro Volumen so viel Oberfläche vorhanden ist, haben die Stoffe auch eine viel höhere Reaktivität.“ Die stärkeren Krümmungen an vielen Stufen, Kanten und Spitzen der Kristalle bilden Bezirke, die chemisch besonders aktiv sind. Das ermöglicht es zum Beispiel, dass biochemisch aktive Stoffe an Nanodiamanten haften.

Die erhöhte Reaktionsfreude der kleinen Kristalle macht sie auch für die Krebsmedizin hochinteressant. Denn die Nanodiamanten könnten chemotherapeutische Wirkstoffe bis in bestimmte Zellen transportieren. Die Idee: Sobald die kristallinen Nanovehikel zu einer Krebszelle gelangt sind, setzen sie den Huckepack beförderten Wirkstoff dort frei. Danach bleiben zwar Hunderttausende nicht mehr benötigte Nanodiamanten im Körper zurück, doch weil sie so klein sind, können sie keine Zellen beschädigen oder entzünden, wie Versuche belegen.

Bewegungsspuren im Licht

Wie sich Nanodiamanten in Körpergewebe ausbreiten, lässt sich gut verfolgen. „Wir beobachten die Nanopartikel, indem wir sie mit Laserlicht bestrahlen“, erklärt Chemikerin Krueger. „Dass das gelingt, liegt an bestimmten Defekten im Kristallgitter, die fluoreszieren, wenn sie beleuchtet werden.“ Und anders als beispielsweise organische Farbstoffe, die irgendwann ausbleichen, können Defekte in Diamanten nicht kaputtgehen. Den Forschern gibt das ein vielversprechendes neues bildgebendes Verfahren an die Hand. „Solange man den Laser draufhält, leuchtet der Nanodiamant zurück“, freut sich Anke Krueger.

Damit lassen sich Kristalle und Zellen sozusagen direkt bei der Arbeit beobachten: Man sieht, wie die leuchtenden Partikel in den Zellen aufgenommen werden und sich an die Fasern von Zellwänden anlagern, die sogenannten Fibrillen. Wird ein medizinischer Wirkstoff auf den Nanodiamanten fixiert, kann er damit in ein Gewebe eindringen wie ein trojanisches Pferd. „Über das Leuchten lässt sich verfolgen, wo und wie die Substanzen in die Zelle eingebaut werden“, sagt Anke Krueger. Um das zu testen, hat ihr Team untersucht, wie sich die Nanodiamanten im Gewebe von angebrüteten Hühnereiern verteilen. Dabei beobachteten die Forscher, wie sich die winzigen Partikel in Leber und Milz anreicherten – den Organen, in denen Fremdkörper bevorzugt gesammelt und entsorgt werden.

Andere Forschergruppen verfolgen das ehrgeizige Ziel, mit dieser Methode Krebszellen gezielt abzutöten. Bislang sind viele der dazu verwendeten Wirkstoffe nur schwer löslich, wodurch sie ihr Ziel nicht erreichen. Da wäre es vorteilhaft, die Wirkstoff-Moleküle auf Nanodiamanten zu befestigen. Auch im Kampf gegen Krebs haben Nanodiamanten als Trägermaterial den großen Vorteil, dass sie chemisch inert sind und sich an den Stoffwechselprozessen im Körper nicht beteiligen.

Treibhausgase aus der Luft entfernen

Und die Palette möglicher Anwendungen ist noch größer. So haben Forscher erkannt, dass Diamanten sich als chemische Katalysatoren nutzen lassen – also um Reaktionen in Gang zu setzen oder zu beschleunigen. Durch raffinierte Gestaltung ihrer Oberfläche ließe sich zum Beispiel der Gehalt an Treibhausgasen, etwa an Kohlendioxid (CO2), in der Atmosphäre reduzieren. Der Prozess ist eine Variante der künstlichen Photosynthese, die die natürliche Photosynthese technisch nachahmt. Er könnte sich in bizarren Aufbauten aus Diamanten realisieren lassen, die in ihrer Form Solarzellen ähneln.

Solche „Photoreaktoren mit Diamant“, wie sie Anke Krueger nennt, könnten helfen, den Klimawandel zu bremsen. Doch ob das eines Tages möglich sein wird, ist noch offen. Beleuchtet man die Nanokristalle, treten an ihrer Oberfläche energiereiche Elektronen aus. Die eignen sich dazu, CO2-Moleküle aus der Atmosphäre zurückzugewinnen. „Wir untersuchen Prozesse, bei denen wir die Diamantoberfläche direkt als Quelle für Elektronen nutzen, die dann photochemisch wie ein Katalysator wirken“, erläutert die Würzburger Chemikerin. „Dazu präparieren wir die Diamanten zuvor so, dass sie auch unter Sonnenlicht Elektronen emittieren, die Kohlendioxid abbauen können.“

Denkbar wäre es, das CO2 danach in nützliche Produkte umzuwandeln. „Wo die Natur die Photosynthese nutzt, um aus CO2 Glukose herzustellen, könnten wir auf Oberflächen von Nanodiamanten zum Beispiel aus umweltverträglichen Lösungsmitteln und Sonnenlicht Methanol und Ameisensäure herstellen“, sagt Krueger: Diese Stoffe ließen sich als Kraftstoff nutzen oder chemisch weiterverarbeiten.

Das ist zwar noch Zukunftsmusik, betont die Würzburger Forscherin. Doch wenn man es schaffen würde, das CO2 etwa aus Verbrennungsmotoren, Kraftwerken oder der Zement- und Stahlproduktion direkt wieder in den chemischen Kreislauf zurückzuführen, indem man das Treibhausgas an Diamantoberflächen zerlegt, wäre das bereits ein Gewinn. Anke Krueger kann sich vorstellen, dass solche Anlagen künftig mit Reaktoren zur künstlichen Photosynthese „bepflanzt“ werden.

Die Reaktoren würden Bäumen ähneln, deren Blätter mit künstlichen Diamanten überzogen sind – und an denen zum Beispiel Brennstoffe produziert würden. Vielleicht können wir in ein oder zwei Jahrzehnten, wenn Kohlendioxid auf diese Weise in großem Maßstab aus der Luft gezogen und wieder in den chemischen Kreislauf zurückgebracht wird, durch ganze Wälder aus Diamanten spazieren gehen.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…