Wissenschaftlern gelingt die Herstellung von Diamanten aus Flaschenplastik

Von Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf 3. Oktober 2022

Bei dem Experiment wurde eine dünne Folie aus einfachem PET-Kunststoff mit einem Laser beschossen. Die starken Laserblitze, die auf die folienartige Materialprobe trafen, erhitzten diese kurzzeitig auf bis zu 6000 Grad Celsius und erzeugten so eine Schockwelle, die die Materie für einige Nanosekunden auf das Millionenfache des Atmosphärendrucks komprimierte. Die Wissenschaftler konnten feststellen, dass sich unter extremem Druck winzige Diamanten, sogenannte Nanodiamanten, bildeten. Bildnachweis: HZDR / Blaurock

What transpires inside planets like UranusUranus is the seventh farthest planet from the sun. It has the third-largest diameter and fourth-highest mass of planets in our solar system. It is classified as an "ice giant" like Neptune. Uranus' name comes from a Latinized version of the Greek god of the sky." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Uranus and NeptuneNeptune is the farthest planet from the sun. In our solar system, it is the fourth-largest planet by size, and third densest. It is named after the Roman god of the sea." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Neptun? Um dies herauszufinden, führte ein globales Team unter der Leitung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), der Universität Rostock und der französischen École Polytechnique ein innovatives Experiment durch. Sie verwendeten intensive Laserblitze, um zu untersuchen, was passierte, als sie mit einem Laser auf eine dünne Folie aus einfachem PET-Kunststoff schoss.

As a consequence, the scientists were able to support their prior hypothesis that diamonds really do rain within the ice giants at the edge of our solar system. Another was that this technique would provide a brand-new approach to making nanodiamonds, which are needed, for example, in very sensitive quantum sensors. The team's findings were recently published in Science Advances<em>Science Advances</em> is a peer-reviewed, open-access scientific journal that is published by the American Association for the Advancement of Science (AAAS). It was launched in 2015 and covers a wide range of topics in the natural sciences, including biology, chemistry, earth and environmental sciences, materials science, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Wissenschaftliche Fortschritte.

Extreme conditions occur in the interior of large icy planets like Neptune and Uranus, with pressure millions of times higher than on Earth and temperatures that can reach several thousand degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Celsius. Solche Zustände können jedoch im Labor kurzzeitig reproduziert werden, indem intensive Laserblitze auf eine Probe eines filmartigen Materials treffen, diese im Handumdrehen auf 6.000 Grad Celsius erhitzen und eine Stoßwelle erzeugen, die das Material komprimiert für einige Nanosekunden auf das Millionenfache des atmosphärischen Drucks.

„Bisher verwendeten wir für solche Experimente Kohlenwasserstofffilme“, erklärt Dominik Kraus, Physiker am HZDR und Professor an der Universität Rostock. „Und wir entdeckten, dass dieser extreme Druck winzige Diamanten erzeugte, sogenannte Nanodiamanten.“

Da Eisriesen jedoch neben Kohlenstoff und Wasserstoff auch erhebliche Mengen Sauerstoff enthalten, konnte das Innere von Planeten mit diesen Filmen nur teilweise nachgebildet werden. Auf der Suche nach einem geeigneten Folienmaterial stießen die Forscher auf einen alltäglichen Stoff: PET, das Harz, aus dem gewöhnliche Plastikflaschen hergestellt werden.

„PET hat ein gutes Gleichgewicht zwischen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, um die Aktivität auf Eisplaneten zu simulieren“, erklärt Kraus.

Das Team führte seine Forschung mit der Linac Coherent Light Source (LCLS), einem leistungsstarken, beschleunigerbasierten Röntgenlaser, am SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien durch. Sie nutzten es, um zu analysieren, was passiert, wenn starke Laserblitze auf eine PET-Folie treffen, und verwendeten gleichzeitig zwei Messtechniken: Röntgenbeugung, um festzustellen, ob Nanodiamanten entstanden sind, und sogenannte Kleinwinkelstreuung, um zu sehen, wie schnell und wie groß die Diamanten wuchsen .

„Die Wirkung des Sauerstoffs bestand darin, die Spaltung von Kohlenstoff und Wasserstoff zu beschleunigen und so die Bildung von Nanodiamanten zu fördern“, berichtet Dominik Kraus über die Ergebnisse. „Das bedeutete, dass sich die Kohlenstoffatome leichter verbinden und Diamanten bilden konnten.“ Dies unterstützt weiter die Annahme, dass es im Inneren der Eisriesen buchstäblich Diamanten regnet. Die Ergebnisse sind wahrscheinlich nicht nur für Uranus und Neptun relevant, sondern auch für unzählige andere Planeten in unserer Galaxie. Während solche Eisriesen früher als Raritäten galten, scheint es heute klar zu sein, dass sie wahrscheinlich die häufigste Form von Planeten außerhalb des Sonnensystems sind.

Das Team stieß auch auf Hinweise anderer Art: In Kombination mit den Diamanten soll Wasser entstehen – allerdings in einer ungewöhnlichen Variante. „Möglicherweise hat sich sogenanntes superionisches Wasser gebildet“, meint Kraus. „Die Sauerstoffatome bilden ein Kristallgitter, in dem sich die Wasserstoffkerne frei bewegen.“ Da die Kerne elektrisch geladen sind, kann superionisches Wasser elektrischen Strom leiten und so dazu beitragen, das Magnetfeld der Eisriesen zu erzeugen. Allerdings konnte die Forschungsgruppe in ihren Experimenten die Existenz von superionischem Wasser in der Mischung mit Diamanten noch nicht zweifelsfrei nachweisen. Dies soll in enger Zusammenarbeit mit der Universität Rostock am European XFEL in Hamburg geschehen, dem leistungsstärksten Röntgenlaser der Welt. Dort leitet das HZDR das internationale Nutzerkonsortium HIBEF, das ideale Bedingungen für Experimente dieser Art bietet.

Neben dieser eher grundlegenden Erkenntnis eröffnet das neue Experiment auch Perspektiven für eine technische Anwendung: die maßgeschneiderte Herstellung nanometergroßer Diamanten, die bereits in Schleif- und Poliermitteln enthalten sind. Sie sollen künftig als hochempfindliche Quantensensoren, medizinische Kontrastmittel und effiziente Reaktionsbeschleuniger, beispielsweise zur CO2-Spaltung, eingesetzt werden. „Bisher werden Diamanten dieser Art hauptsächlich durch die Detonation von Sprengstoffen hergestellt“, erklärt Kraus. „Mit Hilfe von Laserblitzen könnten sie künftig viel sauberer hergestellt werden.“

Die Vision der Wissenschaftler: Ein Hochleistungslaser feuert zehn Blitze pro Sekunde auf eine PET-Folie, die im Abstand von einer Zehntelsekunde vom Strahl beleuchtet wird. Die so entstandenen Nanodiamanten schießen aus der Folie und landen in einem mit Wasser gefüllten Auffangbehälter. Dort werden sie entschleunigt und können anschließend gefiltert und effektiv geerntet werden. Der wesentliche Vorteil dieser Methode gegenüber der Herstellung durch Sprengstoffe besteht darin, dass „die Nanodiamanten hinsichtlich ihrer Größe oder sogar der Dotierung mit anderen Atomen individuell zugeschnitten werden könnten“, betont Dominik Kraus. „Mit dem Röntgenlaser verfügen wir über ein Laborgerät, mit dem wir das Wachstum der Diamanten präzise steuern können.“

Referenz: „Diamantbildungskinetik in schockkomprimierten C─H─O-Proben, aufgezeichnet durch Röntgenkleinwinkelstreuung und Röntgenbeugung“ Thomas E. Cowan, Adrien Descamps, Martin French, Eric Galtier, Arianna E. Gleason, Griffin D. Glenn, Siegfried H. Glenzer, Yuichi Inubushi, Nicholas J. Hartley, Benjamin Heuser, Oliver S. Humphries, Nobuki Kamimura, Kento Katagiri, Dimitri Khaghani, Hae Ja Lee, Emma E. McBride, Kohei Miyanishi, Bob Nagler, Benjamin Ofori-Okai, Norimasa Ozaki, Silvia Pandolfi, Chongbing Qu, Divyanshu Ranjan, Ronald Redmer, Christopher Schoenwaelder, Anja K. Schuster, Michael G. Stevenson, Keiichi Sueda, Tadashi Togashi, Tommaso Vinci, Katja Voigt, Jan Vorberger, Makina Yabashi , Toshinori Yabuuchi, Lisa MV Zinta, Alessandra Ravasio und Dominik Kraus, 2. September 2022, Science Advances.DOI: 10.1126/sciadv .abo0617