Forschende schmolzen einen Diamanten – und es lief völlig anders als erwartet

In Heist-Filmen werden Diamanten zwar oft als „Eis“ bezeichnet, doch tatsächlich haben die beiden festen Stoffe kaum etwas gemeinsam.

Schon ihre atomare Anordnung unterscheidet sich grundlegend, ebenso wie ihre Entstehung: Diamanten bilden sich tief unter der Erde bei enormem Druck und hoher Temperatur, Eis dagegen durch Kälte. Kaum zwei Materialien könnten bei oberflächlicher Ähnlichkeit so gegensätzlich sein.

Umso überraschender ist, dass Diamant – das härteste bekannte natürlich vorkommende Mineral der Erde – schmelzen kann.

Wie Diamant schmilzt

Doch selbst dabei verhält sich Diamant laut einem Physikteam um Marius Millot vom Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in den USA ausgesprochen ungewöhnlich.

Im Wesentlichen behält er seine vertraute Diamant-Kristallstruktur bis unmittelbar zum Schmelzpunkt bei; erst dann geraten seine Kohlenstoffatome in Unordnung.

„Wir glauben, dass dies daran liegt, dass die Probe keine Zeit hat, sich zu verändern, wenn sie nur einem einzigen Schock ausgesetzt ist“, sagt Millot. „Sie bleibt in der Diamantstruktur ‚gefangen‘.“

Abbildung: Darstellung eines kubischen Diamanten, der zu flüssigem Kohlenstoff schmilzt. (James Wickboldt/LLNL)

Einen Diamanten zum Schmelzen zu bringen, ist alles andere als einfach, doch mehrere Experimente haben dies im Lauf der Jahre erreicht. 2007 berichtete ein Forschungsteam, einen Diamanten mit einem Laser geschmolzen zu haben, der eine Stoßwelle mit einem Druck von 750 Gigapascal erzeugte. Das entspricht mehr als dem Doppelten des Umgebungsdrucks im inneren Erdkern und dem 7,4-Millionenfachen des Luftdrucks auf Meereshöhe.

In einer 2009 veröffentlichten Arbeit beschrieben Folgeversuche unter Leitung des LLNL-Physikers Jon Eggert eine direkte Messung der Schmelztemperatur von Diamant.

Mit besseren theoretischen Berechnungen zeigte sich jedoch ein Problem: Die experimentell ermittelte Schmelztemperatur wich um etwa 20 Prozent von quantenmechanischen Vorhersagen ab.

„Was die Theoretiker auch versuchten – selbst mit den fortschrittlichsten Computersimulationstechniken –, sie konnten die Experimente nicht reproduzieren“, sagt Millot.

Zugleich blieb eine weitere Frage offen. Theoretisch sollte sich das streng geordnete Atomgitter von Diamant bei etwa einem Terapascal vor dem vollständigen Schmelzen vorübergehend in eine Kohlenstoffform namens BC8 umwandeln.

Frühere Experimente waren sogar als Hinweis auf einen solchen Übergang bei mehr als etwa 900 Gigapascal gedeutet worden. Neuere Simulationen legen jedoch nahe, dass sich BC8 bei rascher Kompression womöglich nur schwer bilden kann.

Die Arbeit von 2009 zeigte zwar das Schmelzen von Diamant bei Drücken bis zu 1,1 Terapascal, doch das Experiment war nicht empfindlich genug, um festzustellen, ob die vorhergesagte BC8-Phase dabei tatsächlich auftrat.

Seit diesen Untersuchungen hat sich die Technik zur Beobachtung von Materie unter solch kurzlebigen Extrembedingungen allerdings deutlich weiterentwickelt. Millot und sein Team nahmen sich der Frage daher erneut an.

Laserexperimente unter extremem Druck

Abbildung: Ein Diamant-Target im Zentrum eines OMEGA-Laserschusses zur Untersuchung von Diamant unter extremem Druck. Das helle weiße Licht ist während des Experiments erzeugtes Plasma. (Eugene Kowaluk/LLE)

An der OMEGA Laser Facility der University of Rochester jagten die Forschenden mit starken Laserpulsen Stoßwellen durch winzige Diamantproben. Dabei erzeugten sie Drücke zwischen 600 Gigapascal und 1,8 Terapascal.

Parallel dazu bestimmten sie die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Stoßwelle, die Temperatur und das Reflexionsvermögen des Diamanten. Entscheidend war zudem, dass sie mithilfe von Röntgenstrahlung beobachteten, wie sich seine Kristallstruktur wandelte.

„Wir konnten winzige Diamantproben schockkomprimieren, bis zu Temperaturen, die höher sind als an der Oberfläche der Sonne, und zu Drücken, die über denen im Zentrum von Neptun und Uranus liegen – und dabei trotzdem Atomstruktur, Temperatur, Dichte und optisches Reflexionsvermögen messen“, sagt Millot.

Die neuen Messungen klärten das Temperaturproblem.

Sie verorten die Schmelztemperatur von Diamant bei ungefähr 7.300 Kelvin und 1 Terapascal. Damit liegt sie deutlich unter den alten experimentellen Messwerten, stimmt aber gut mit den theoretischen Berechnungen überein, die sich zuvor hartnäckig nicht mit dem älteren Ergebnis decken wollten.

„Es war zwar frustrierend, festzustellen, dass unsere ursprünglichen Temperaturmessungen um mehr als 1.000 Grad danebenlagen, aber es ist aufregend, mit unserer neuen Diagnostik eine so dramatische Verbesserung der Datenqualität zu sehen“, sagt Eggert.

Abbildung: Der experimentelle Aufbau und Röntgenbeugungsmessungen von Diamant bei steigendem Druck. Das Beugungssignal des geschockten Diamanten wird mit zunehmendem Druck schwächer und verschwindet, sobald der Diamant schmilzt. (Millot et al., Nature Physics, 2026)

Die Röntgenstrahlen zeigten außerdem, was mit der Kristallstruktur des Diamanten während des Schmelzens geschieht – und genau hier wird es besonders spannend.

Mit steigendem Druck wurde das Röntgenbeugungssignal des Diamanten zunehmend schwächer. Das deutet darauf hin, dass immer weniger kristalliner Diamant vorhanden war, während er schmolz, bis das Signal schließlich vollständig verschwand.

Solange das Team jedoch noch eine Atomstruktur nachweisen konnte, blieb diese das bekannte kubische Kristallgitter. Hinweise auf eine nennenswerte BC8-Phase fanden die Forschenden nicht: Fester Diamant und flüssiger Kohlenstoff existierten schlicht nebeneinander, bis der Vorgang abgeschlossen war.

Als wahrscheinliche Ursache führen sie Mechanismen an, die in früheren Simulationen vorgeschlagen wurden. Zwar könnte Kohlenstoff bei den betreffenden Drücken die BC8-Phase bevorzugen, doch dafür müssten die extrem starken Kohlenstoffbindungen im Diamanten aufgebrochen und neu angeordnet werden – ein energetisch aufwendiger Prozess.

Unter den nur flüchtig bestehenden Bedingungen des Experiments scheint der Diamant zu schmelzen, bevor diese Umwandlung erfolgen kann.

Diamant verhält sich unter Druck wie Eis

Und ausgerechnet an diesem Punkt beginnt sich Diamant doch ein wenig wie Eis zu verhalten.

Bei diesen extremen Drücken ist fester Diamant weniger dicht als der flüssige Kohlenstoff, zu dem er schmilzt – ähnlich wie gewöhnliches Eis eine geringere Dichte besitzt als flüssiges Wasser.

Fester Diamant könnte somit auf einem Becken aus geschmolzenem Kohlenstoff schwimmen. Daraus ergibt sich noch ein weiterer kontraintuitiver Effekt: Über einen Teil des Schmelzbereichs hinweg senkt zusätzlicher Druck tatsächlich die Temperatur, bei der Diamant schmilzt.

Das ist nicht nur faszinierend und seltsam, sondern hat auch praktische Bedeutung.

Solche Experimente können Erkenntnisse über das Innere von Eisriesen wie Uranus und Neptun liefern, wo Kohlenstoff möglicherweise Druck- und Temperaturbedingungen erfährt, die den im Experiment nachgebildeten ähneln.

Näher an der Erde wird Diamant jedoch auch für Targets in Experimenten zur Trägheitsfusion eingesetzt. Dabei werden winzige Brennstoffkapseln unter ähnlich enormen Drücken komprimiert. Präzisere Informationen darüber, wie sich Kohlenstoff beim Implodieren dieser Targets verhält, könnten daher die Computermodelle für die Planung von Fusionsexperimenten verbessern.

Mehr zum Thema: Endlich hat eine Fusionsreaktion mehr Energie erzeugt, als der Brennstoff aufgenommen hat

Tatsächlich stellten die Forschenden in Simulationen mit dem aktualisierten Kohlenstoffmodell fest, dass der vorhergesagte Energiegewinn der Fusion um bis zum Dreifachen steigen könnte.

„Unsere Arbeit deutet darauf hin, dass wir in unseren NIF-Implosionen etwas langsamere anfängliche Schocks einsetzen und trotzdem ein vollständiges Schmelzen des Diamanten erreichen könnten“, sagt Millot.

„Das ist aufregend, weil ein solcher langsamerer Schock den Fusionsbrennstoff stärker komprimierbar machen würde. Das erhöht wiederum die maximale Energieausbeute, die wir mit derselben Laserenergie erzielen könnten.“

Die Forschung wurde in Nature Physics veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Fiona MacDonald geprüft und von Fiona MacDonald redigiert. Wir sind stolz auf unseren Prozess, aber auch nur Menschen. Falls Ihnen ein Fehler auffällt, teilen Sie ihn uns bitte mit.