Diamanten sind wegen ihrer Schönheit, aber vor allem wegen ihrer großen Härte begehrt. Die Edelsteine kommen zwar natürlicherweise und in großer Zahl im Erdinneren vor, sind im Krustengestein aber nur schwer zu finden und zu bergen. Eine kostengünstigere Alternative ist es daher, Diamanten synthetisch herzustellen. Dafür werden kohlenstoffhaltige Materialien unter extremen Bedingungen umgewandelt. Mit sehr hohen Drücken und Temperaturen, wie sie auch im Erdmantel vorkommen, wird der Kohlenstoff in die kompakte Konfiguration des Diamantgitters gepresst. Ein Team um Jiarui Fu von der Universität Tokio hat nun einen anderen Ansatz näher untersucht, der ohne solche extremen Drücke und Temperaturen sowie ohne Katalysatoren und Zusatzstoffe auskommt: die kontrollierte Bestrahlung mit Elektronen.
Als Ausgangsmaterial diente den Chemikern ein kohlenstoffreiches Molekül namens Adamantan (C10H16), das bereits eine ähnliche Käfigstruktur besitzt wie Diamant. Beide Materialien bestehen aus einem tetraedrischen symmetrischen Atomgerüst, in dem die Kohlenstoffatome im gleichen räumlichen Muster angeordnet sind. Allerdings besteht Adamantan aus lose angeordneten Monomeren und Diamant aus einem robusten dreidimensionalen Gitter. Um aus Adamantan Diamanten zu machen, müssen daher dessen starke C-H-Verbindungen am Rand der Monomere in schwächere und instabilere C-C-Bindungen umgewandelt werden. Der Haken: „Niemand hielt das für machbar“, sagt Seniorautor Eiichi Nakamura von der Universität Tokio.
Auf der Suche nach den besten Reaktionsbedingungen
Aus früheren Studien ist zwar bekannt, dass sich die Atome des Adamantans mit einzelnen Elektronen beschießen lassen und dadurch zu Ionen werden. Das erleichtert die gewünschte Spaltung der C-H-Bindungen und ermöglicht es, dass sich spontan neue C-C-Bindungen bilden. Bislang ist es jedoch niemandem gelungen, durch Elektronenbestrahlung stabile Produkte zu erzeugen und zu isolieren. Das Team um Fu hat nun mithilfe eines Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) näher untersucht, was genau unter dem Elektronenstrahl passiert und welche Bedingungen für die Umwandlung am besten sind. Dafür bestrahlten sie Adamantan-Kristalle im Vakuum für einige Sekunden mit Elektronen von 80 bis 200 Kiloelektronenvolt Energie. Die Temperaturen im Test betrugen zwischen 100 und 296 Kelvin, also etwa minus 173 bis plus 23 Grad Celsius.
