Die Rolle von hohem Druck und hoher Temperatur bei der Diamantenbildung

Diamanten sind für ihre außergewöhnliche Härte und Schönheit bekannt, weshalb sie sowohl in der Schmuckherstellung als auch in der Industrie sehr geschätzt werden. Die Entstehung natürlicher Diamanten ist ein faszinierender Prozess, der tief im Erdmantel stattfindet und besondere Bedingungen wie hohen Druck und hohe Temperaturen erfordert. Das Verständnis dieser Bedingungen hilft zu erklären, warum Diamanten relativ selten sind, und verdeutlicht die geologischen Prozesse, die bei ihrer Entstehung eine Rolle spielen.

Bedingungen für die Diamantbildung

1. Hoher Druck:
   • Druckanforderungen: Diamanten entstehen bei einem Druck von 4.5 bis 6 Gigapascal (GPa), was etwa dem 45,000- bis 60,000-fachen des Atmosphärendrucks entspricht. Diese Drücke herrschen typischerweise in Tiefen von 140 bis 190 Kilometern unter der Erdoberfläche.
   • Rolle des Drucks: Hoher Druck ist entscheidend, weil er Kohlenstoffatome in eine kompakte, tetraedrische Kristallstruktur zwingt, die für Diamanten charakteristisch ist. Bei niedrigerem Druck bilden Kohlenstoffatome Graphit, ein unter Oberflächenbedingungen stabileres Allotrop von Kohlenstoff.
2. Hochtemperaturbereich:
   • Temperaturanforderungen: Der Temperaturbereich für Diamant Die Temperaturen für die Bildung liegen zwischen 900 °C und 1,300 °C. Diese Temperaturen sind notwendig, um die Energie für die Umordnung der Kohlenstoffatome im Diamantgitter bereitzustellen.
   • Rolle der Temperatur: Bei ausreichender Hitze können Kohlenstoffatome Energiebarrieren überwinden und sich in die fest verbundene Diamantstruktur umordnen. Ohne ausreichende Temperatur wäre die kinetische Energie der Atome zu gering, um diese Umwandlung zu ermöglichen.

Geologische Bedingungen für die Diamantenbildung

1. Mantelbedingungen:
   • Tiefe: Die für die Entstehung von Diamanten erforderlichen Bedingungen finden sich typischerweise in Tiefen von 140 bis 190 Kilometern im Erdmantel. Diese Tiefen entsprechen dem Stabilitätsfeld von Diamanten, in dem sich die Druck- und Temperaturbedingungen entsprechend überschneiden.
   • Kohlenstoffquellen: Der für die Diamantbildung im Mantel notwendige Kohlenstoff kann von subduzierten ozeanischen Platten stammen, die Karbonate in den Mantel einbringen, oder von ursprünglichen Kohlenstoffquellen im Mantel selbst.
2. Kimberlit und Lamproitrohre:
   • Transport zur Oberfläche: Diamanten gelangen durch vulkanische Schlote, sogenannte Kimberlite und Lamproite, an die Oberfläche. Diese Schlote entstehen durch vulkanische Eruptionen aus tiefen Quellen, die im Erdmantel entstehen und Diamanten und andere Materialien aus dem Erdmantel schnell an die Oberfläche befördern.
   • Eruptionseigenschaften: Der schnelle Aufstieg dieser Magmen ist für die Erhaltung der Diamanten unerlässlich. Bei langsamem Transport könnten sich Diamanten aufgrund von Druck- und Temperaturänderungen wieder in Graphit verwandeln oder auflösen.

Bildung synthetischer Diamanten

1. Hochdruck-Hochtemperatur-Methode (HPHT):
   • Prozess: Die HPHT-Methode ahmt die natürlichen Bedingungen der Diamantbildung nach, indem sie auf eine Kohlenstoffquelle hohen Druck (5–6 GPa) und hohe Temperaturen (1,300–1,600 °C) ausübt und dabei häufig einen Metallkatalysator verwendet, um den Prozess zu erleichtern.
   • Anwendungen: HPHT-Diamanten werden in industriellen Anwendungen (Schneiden, Schleifen, Bohren) und zunehmend in der Schmuckherstellung eingesetzt, da die Qualität synthetischer Diamanten immer besser wird.
2. Chemische Gasphasenabscheidung (CVD):
   • Prozess: Bei der CVD wird ein Plasma aus kohlenstoffhaltigen Gasen wie Methan erzeugt, das dann kontrolliert Kohlenstoffatome auf einem Substrat ablagert. Diese Methode arbeitet zwar bei niedrigerem Druck, erfordert aber dennoch hohe Temperaturen (700-1,200 °C).
   • Anwendungen: CVD ermöglicht die Herstellung von hochreinen Diamanten und die Herstellung von Diamantfilmen und -beschichtungen für verschiedene technologische Anwendungen.

Schlussfolgerung

Die Entstehung von Diamanten ist ein Beweis für die dynamischen und kraftvollen Prozesse, die im Inneren der Erde stattfinden. Die spezifischen Bedingungen von hohem Druck und hoher Temperatur, die für die Entstehung von Diamanten erforderlich sind, veranschaulichen das empfindliche Gleichgewicht der geologischen Kräfte, die hier wirken. Fortschritte bei der synthetischen Diamantenproduktion geben weiterhin Einblicke in diese natürlichen Prozesse und erweitern gleichzeitig die Verfügbarkeit und Anwendung von Diamanten in industriellen und kommerziellen Sektoren.