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Zustandsdiagramme

Diamant-Synthese - Erzeugung höchster Drücke

Wie das p,T-Diagramm von Kohlenstoff zeigt, ist die Umwandlung von Graphit in Diamant erst bei sehr hohen Drücken möglich. Weiterhin sind hohe Temperaturen erforderlich, damit die Umwandlung merklich voran geht. Der Amerikaner Bridgeman verwendete 1940 an der Harvard-Universität eine 1.000t-Presse und erreichte 30kbar und 3.300K, erhielt aber keine Diamanten. Erst 1954 gelang es General Electric, Diamanten zu züchten, kurz danach auch einer Firma in Schweden.1)

Mit akzeptabler Geschwindigkeit verläuft die Synthese erst bei 200kbar und 4.000K. Bei diesen Bedingungen entstehen allerdings Probleme mit der Apparatur (es sei denn, wie P. Atkins vermerkt, man arbeitet in einem Vulkan). Immerhin wurden 1961 von De Carli und Jamieson in Schockwellen bei Explosionen oder Funkenentladungen für kurze Zeit Drücke von 600 bis 850kbar erreicht. So entstanden sehr kleine, noch schwarz gefärbte Diamanten.

Abb.1
Schematische Darstellung einer "Diamantpresse" (General Electric)

Die Abbildung zeigt das Schema der von General Electric entwickelten Belt-Apparatur. Sie besteht aus zwei Kolben (A) und einem ringförmigen Mittelstück (B), dem die Apparatur ihren Namen Belt (Gürtel) verdankt. Die Mittelteile (1) beider Kolben und des Rings bestehen aus Wolframcarbid, um die Ringe aus Stahl (2, 3, 4) gelegt sind, die heiß aufgezogen sind. Durch Schrumpfung beim Abkühlen wird der WC-Kern unter Druck gesetzt. Dieser wird kompensiert durch den Druck einer Presse, die beide Kolben zusammenpresst (Pfeile). Der Reaktionsraum (5) wird elektrisch geheizt. In den Hohlräumen zwischen Kolben und Ring befinden sich mehrere Ringe, die aus dem Silikat-Mineral Pyrophyllit (9, 11), Stahl 10, einem von Pyrophyllit umgebenen Stahlring 8, einem Tantal-Ring 7 sowie dem eigentlichen Reaktionsraum 6, der wiederum einen Tantal- und Pyrophyllit-Mantel besitzt, bestehen. Pyrophyllit das eine ähnliche Zusammensetzung wie Talk besitzt wird bei hohen Drücken plastisch und gibt den Druck allseitig weiter. Drücke von 150kbar bei 2.300K können mit dieser Apparatur stundenlang aufrecht erhalten werden. Kurzzeitig sind sogar 200kbar bei 5.000K erreichbar.

In einer Apparatur, wie in (Abb. 1) gezeigt, findet die Umwandlung von reinem Graphit in Diamant bei 120kbar und 3.800K statt. Die technische Synthese verwendet allerdings zusätzlich Katalysatoren (Nebengruppen VI-VIII, vor allem (Ni), sodass bereits bei 1.800K und 70kbar Ausbeuten von 1.000 kga-1 mit einer Anlage erreicht werden. Diese Industriediamanten sind etwa 0,1mm große Kriställchen und enthalten Ni-Einschlüsse. Reiner Diamant ist ein Isolator, im Gegensatz zum (anisotrop) leitfähigen Graphit. Setzt man bei der Synthese geringe Mengen Bor zu, ( < 0,1 %) entstehen Diamanthalbleiter vom p-Typ. Sie sind tiefblau, im Gegensatz zum gelblichen Industriediamanten ohne Bor.

Schließlich ist anzumerken, dass heute auch kleinste Diamantkristalle durch Kondensation von Kohlenstoff-Dampf auf extrem kalten Oberflächen gewonnen werden können.

1) Eine Übersicht der erfolglosen Versuche zur Diamanten-Synthese bietet:Neuhaus, A. (1954): . In: Angew. Chem.. 66 , 525
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