Wie aus Kunststoff winzige Diamanten entstehen
Ein Hochleistungslaser trifft auf Kunststoff und erzeugt winzige Diamanten. Forschende aus Dresden und Rostock können sie nun auffangen und wollen die Produktion steigern.
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An der ELI Beamlines-Anlage südlich von Prag erzeugten Forschende aus Sachsen mit einem Hochleistungslaser Nanodiamanten aus Kunststoff. © ELI Beamlines
Diamanten kennt jeder als funkelnden Schmuck. Die Diamanten, die Forschende aus Dresden und Rostock herstellen, würde man allerdings mit bloßem Auge nicht sehen. Sie sind nur wenige Nanometer groß. Solche Nanodiamanten könnten beispielsweise in der Medizin, als winzige Sensoren oder als Katalysatoren eingesetzt werden. Dem Team vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Universität Rostock ist es nun gelungen, besonders kleine und nahezu gleich große Nanodiamanten gezielt herzustellen und anschließend aufzufangen.
Ursprünglich ging es bei den Experimenten gar nicht um eine neue Produktionsmethode. Die Forschenden wollten herausfinden, was im Innern ferner Planeten wie Neptun oder Uranus passiert. Dafür beschossen sie Kunststoff mit Hochleistungslasern und verdichteten ihn. Kurzzeitig entstanden so mehrere tausend Grad Celsius und ein Druck, der millionenfach höher ist als der normale Luftdruck. Unter diesen Bedingungen kann sich der Kohlenstoff im Kunststoff zu Diamant verbinden.
Von der Planetenphysik zur Anwendung
"Dass unter diesen Bedingungen Nanodiamanten entstehen, hatten wir erwartet. Überrascht hat uns jedoch, wie schnell sie sich bilden", sagt Dominik Kraus, Gründungsdirektor des HEDI-Instituts am HZDR und Professor an der Universität Rostock. Damit kam die Frage auf, ob sich auf diese Weise Nanodiamanten gezielt herstellen lassen.
Ein Problem blieb zunächst ungelöst. Die Forschenden konnten die Diamanten zwar unter den extremen Bedingungen nachweisen. Sie wussten aber nicht, ob die winzigen Teilchen anschließend auch bei normalem Druck und normaler Temperatur bestehen bleiben. Genau das konnten sie jetzt zeigen.
Die Experimente fanden an der Extreme Light Infrastructure (ELI) südlich von Prag statt. Dort feuert ein Hochleistungslaser dreimal pro Minute auf eine nur 100 Mikrometer dünne Kunststofffolie. In der entstehenden Schockwelle bilden sich Nanodiamanten und werden aus der Folie herausgeschleudert.
Zehn Billionen Diamanten pro Laserschuss
Mehr als zehn Kilometer pro Sekunde erreichen die Nanodiamanten dabei. Das entspricht einer Geschwindigkeit wie bei einem Meteoriteneinschlag. Beim Aufprall könnten die winzigen Diamanten sofort zerstört werden. Deshalb landen sie in einem weichen, wasserlöslichen Gel.
Pro Laserschuss kommen dort rund zehn Billionen Nanodiamanten an. Nach viel klingt das nur, solange man nicht ihre Größe betrachtet. Ein Diamant misst im Durchschnitt gerade einmal drei Milliardstel Meter und besteht aus etwa 3000 Kohlenstoffatomen. Rund 100 Laserschüsse brauchten die Forschenden, um einige hundert Mikrogramm Material zu sammeln. Diese Menge reichte aus, um die Diamanten mit einem Elektronenmikroskop an der Universität Rostock zu untersuchen.
Als Nächstes soll mehr Material entstehen. Leistungsfähige Laser, die in kurzer Zeit viele Schüsse abgeben können, sollen die Ausbeute steigern. Zunächst wollen die Forschenden in den Milligramm-Bereich kommen. Nanodiamanten werden schon heute etwa in Schleif- und Poliermitteln eingesetzt. Die besonders kleinen und gezielt veränderten Diamanten könnten weitere Anwendungen ermöglichen: als Quantensensoren, medizinische Kontrastmittel oder Katalysatoren.
Originalpublikation:
B. Heuser, P. Böhringer, K. Oldenburg, F.P. Condamine, G. Fauvel, M.-L. Herbert, J. Kuhkle, T. Laštovička, P. Luckmann, J. Lütgert, P.T. May, D. Ranjan, S. Schumacher, R. L. Singh, M. Stevenson, S. Weber, D. Kraus, Recovery of ultrasmall nanodiamonds from plastics shock-compressed to pressures around 100 GPa, in Diamond and Related Materials (2026)
