Wie züchten Wissenschaftler Diamanten? Nachbildung des natürlichen Prozesses im Labor

Im Grunde genommen ist das Züchten eines Diamanten im Labor ein Prozess der angewandten Chemie und Physik, keine Alchemie. Wissenschaftler verwenden zwei Hauptmethoden: Hochdruck-Hochtemperatur (HPHT) und chemische Gasphasenabscheidung (CVD). HPHT ahmt die zerquetschenden Kräfte des Erdmantels nach, während CVD einen Diamanten Atom für Atom aus einem kohlenstoffreichen Gas „aufbaut“. Beide erzeugen Diamanten, die physikalisch, chemisch und optisch identisch mit denen in der Natur gefundenen sind.

Anstatt Milliarden von Jahren zu warten, können Wissenschaftler einen echten Diamanten in wenigen Wochen herstellen. Dies erreichen sie, indem sie mit einem winzigen Diamanten „Keim“ beginnen und dann entweder die intensive Druckkochumgebung der Erde (HPHT) nachbilden oder atomare Schichten von Kohlenstoff aus einem überhitzten Gas abscheiden (CVD).

Die Grundlage des Diamantenwachstums: Der „Keim“

Die Notwendigkeit einer Vorlage

Jeder im Labor gezüchtete Diamant beginnt sein Leben als winzige, hauchdünne Scheibe eines bereits existierenden Diamanten. Diese Scheibe wird als Diamantkeim oder Substrat bezeichnet.

Dieser Keim dient als grundlegende Vorlage. Ohne ihn hätten die neuen Kohlenstoffatome nicht die notwendige strukturelle Anleitung, um sich in das starke, tetraedrische Kristallgitter anzuordnen, das einen Diamanten auszeichnet.

Gewährleistung eines perfekten Kristallgitters

Die atomare Struktur des Keims bestimmt, wie die neuen Kohlenstoffatome sich verbinden. Während sich der Prozess entfaltet, werden Kohlenstoffatome aus dem Ausgangsmaterial vom Keim angezogen und verriegeln sich an Ort und Stelle, wodurch die perfekte Kristallstruktur Schicht für Schicht erweitert wird.

Methode 1: HPHT (Hochdruck-Hochtemperatur)

Nachahmung des Erdmantels

Die HPHT-Methode ist die ursprüngliche Diamantenzüchtungstechnik und ahmt direkt die natürlichen Bedingungen tief im Erdinneren nach, unter denen Diamanten entstehen.

Bei diesem Verfahren werden ein Diamantkeim und eine Quelle für reinen Kohlenstoff (wie Graphit) in eine Kammer gegeben. Ebenfalls enthalten ist ein Metallkatalysator, der hilft, den Kohlenstoff aufzulösen und neu zu formen.

Der Prozess in Aktion

Diese Kammer wird enormen Drücken ausgesetzt, die oft 1,5 Millionen Pfund pro Quadratzoll (PSI) übersteigen, und extremen Temperaturen von etwa 1500 °C (2700 °F).

Unter diesen Bedingungen schmilzt der Metallkatalysator und löst die Kohlenstoffquelle auf. Die Kohlenstoffatome wandern dann durch das geschmolzene Metall zum etwas kühleren Diamantkeim, wo sie ausfallen und kristallisieren, wodurch der Diamant wächst.

Methode 2: CVD (Chemical Vapor Deposition)

Einen Diamanten aus Gas aufbauen

CVD ist eine neuere Technik, die mit dem 3D-Druck im atomaren Maßstab verglichen werden kann. Anstatt enormen Drucks verwendet sie eine spezielle Vakuumkammer.

Diese Methode ermöglicht eine größere Kontrolle über die Reinheit und die endgültige Größe des resultierenden Diamanten.

Der Prozess in Aktion

Ein Diamantkeim wird in eine versiegelte Vakuumkammer gelegt, die dann mit einem kohlenstoffreichen Gas, wie Methan, gefüllt wird.

Dieses Gas wird auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt und mithilfe einer Technologie, die Mikrowellen ähnelt, in ein Plasma ionisiert. Dies spaltet die Gasmoleküle auf und setzt eine Wolke aus reinen Kohlenstoffatomen frei.

Diese Kohlenstoffatome „regnen“ dann auf den kühleren Diamantkeim herab und lagern sich dort ab, wodurch der Diamant über mehrere Wochen hinweg Schicht für Schicht aufgebaut wird.

Einleitung des perfekten Wachstums

Um sicherzustellen, dass sich die allererste Schicht von Kohlenstoffatomen fehlerfrei an den Keim bindet, wird häufig eine spezielle Technik namens Bias Enhanced Nucleation (Bias-gesteuerte Keimbildung) angewendet. Dabei wird ein elektrisches Feld angelegt, das die Kohlenstoffatome chemisch dazu anregt, die korrekten Diamantbindungen auf dem Substrat zu bilden, wodurch der Wachstumsprozess perfekt beginnt.

Die Abwägungen verstehen

Sind es echte Diamanten?

Ja. Es ist wichtig zu verstehen, dass Diamanten, die mittels HPHT und CVD gezüchtet werden, echte Diamanten sind. Sie haben die gleiche chemische Zusammensetzung (reiner Kohlenstoff) und Kristallstruktur wie abgebaute Diamanten.

Sie sind keine „Imitate“ wie Zirkonia oder Moissanit, die unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften aufweisen. Sie sind einfach Diamanten mit einer anderen und viel kürzeren Entstehungsgeschichte.

Unterschiedliche Wachstumsmuster

Die beiden Methoden hinterlassen subtile Hinweise, die nur mit fortschrittlicher gemmologischer Ausrüstung nachweisbar sind.

HPHT-Diamanten wachsen in einer kuboktaedrischen Form und können Spuren metallischer Einschlüsse vom Katalysator aufweisen. CVD-Diamanten wachsen in einer flachen, tafelartigen Form und können spezifische Spannungsmuster vom Schichtwachstumsprozess aufweisen. Diese Faktoren beeinträchtigen weder die Schönheit noch die Haltbarkeit des Edelsteins.

Methode und Anwendung

HPHT ist ein hochentwickeltes Verfahren, das häufig zur Herstellung kleinerer Diamanten für Schmuck oder zur Verbesserung der Farbe bestehender Diamanten eingesetzt wird.

CVD ist ein sehr skalierbares Verfahren und wird im Allgemeinen für die Herstellung größerer, hochreiner farbloser Diamanten für den Edelsteinbedarf sowie für fortschrittliche technische Anwendungen in der Optik und Halbleitertechnik bevorzugt.

Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen

Das Verständnis der Wachstumsmethode kann Ihnen helfen, die Technologie hinter dem Edelstein wertzuschätzen.

• Wenn Ihr Hauptaugenmerk darauf liegt, den natürlichen Prozess nachzuahmen: HPHT ist die Methode, die die intensive Hitze und den Druck tief im Erdinneren am besten nachbildet.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf hochmoderner Technologie liegt: CVD stellt einen hochmodernen Ansatz dar, bei dem der Diamant Atom für Atom in einer hochkontrollierten Umgebung aufgebaut wird.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk einfach auf Authentizität und Schönheit liegt: Sowohl HPHT als auch CVD erzeugen echte Diamanten, was beide zu einer gültigen Wahl macht, abhängig von der spezifischen Qualität und dem Aussehen des Edelsteins.

Letztendlich sind beide Methoden Triumphe der Materialwissenschaft, die die Gesetze der Physik nutzen, um eines der haltbarsten und schönsten Materialien der Natur auf Abruf zu erzeugen.

Zusammenfassungstabelle:

Methode	Prozessbeschreibung	Schlüsselmerkmale
HPHT	Ahmt den Erdmantel mit hohem Druck und hoher Temperatur nach.	Wächst in kuboktaedrischer Form; kann metallische Einschlüsse aufweisen.
CVD	Baut den Diamanten Atom für Atom aus einem kohlenstoffreichen Gas in einem Vakuum auf.	Wächst in flacher, tafelartiger Form; ausgezeichnet für hochreine Edelsteine.

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