Eigenschaften und Anwendung

Diamant ist die kubische Modifikation des Kohlenstoffes und ein natürlich vorkommender Feststoff und anerkanntes Mineral. Seine Kristallstruktur besteht aus einem dreidimensionalen Tetraeder-Gerüst, in dem jedes Kohlenstoffatom in fester (kovalenter) Bindung von vier Nachbarn im gleichen Abstand umgeben ist.

Reine Diamant-Kristalle sind farblos. Durch Fremdatome und Defekte im Kristallgitter entstehen andere Farben wie Braun, Gelb, Grün, Orange, Blau, Rosa, Rot und auch Grau bis Schwarz. Aufgrund seiner hohen Lichtbrechung und seines edlen Glanzes wird er als Edelstein für Schmuck in unterschiedlichen Schliffformen eingesetzt.

Diamant ist der härteste bekannte Werkstoff. Als einziges Mineral erreicht er die Stufe 10 auf der Mohshärte Skala. Die griechische Bezeichnung „Adamas“ bedeutet der „Unbezwingliche“, da er von keinem Stoff geritzt wird aber alle anderen bekannten Stoffe ritzen kann. Seine Schleifhärte ist 140-mal größer als die von Korund. Deshalb wird er industriell als Bohr-, Schneid- und Schleifwerkzeug, sowie als Zusatzstoff in Polierpasten eingesetzt.

Nano-Diamant hat einen Durchmesser von wenigen bis einigen hundert Nanometern, insbesondere werden häufig Partikel mit Durchmessern von unter 50 nm verwendet. Er ist zu unterscheiden von ultra-nanokristallinem Diamant, den nanokristallinen Diamantfilmen mit Einzelkristalliten im Bereich weniger Nanomater. Nano-Diamanten spielen vor allem als Kunststofffüller und für die Erzeugung von Polituren für höchste Ansprüche eine Rolle. In Kettenöl sollen sie angeblich die Reibung vermindern.

In der industriellen Wasser-/Abwassertechnik werden zudem Diamantelektroden eingesetzt um Wasser zu behandeln und zu reinigen (Oxidation und Desinfektion von Abwasser und Prozesswasser). Für die meisten industriellen Anwendungen ist Nano-Diamant aufgrund des geringeren Rohstoffeinsatzes bei gleichbleibendem Effekt interressant und wird aktuell beforscht.

Die Härte ist abhängig von der Kristallausrichtung im Diamant (Anisotropie). Dadurch ist es möglich, Diamant mit Diamant zu schleifen. Weiterhin von Bedeutung sind sein hoher Elastizitätsmodul, seine hohe Wärmeleitfähigkeit und sein hoher elektrischer Widerstand. Zusätze wie Bor, Phosphor oder Stickstoff machen den Diamant leitfähig, wodurch er als Halbleiter oder Supraleiter auftritt. Durch seine gute Wärmeleitfähigkeit (1000-2500 W/m*K) wird er in thermisch hoch belastete elektronische Bauelemente eingebracht und dient dort zur Wärmeableitung. Nach den CVD-Verfahren hergestellte Diamantschichten dienen vorzugsweise dem Verschleißschutz von Werkzeugen.

Diamant ist als nanometergroßes Pulver nicht selbstentzündlich. Auch als fein verteilte Mischung mit Luft (Staub) unter Einwirkung einer Zündquelle ist Diamant nicht entzündlich, also besteht keine Möglichkeit einer Staubexplosion.

Vorkommen und Herstellung

Natürlicher Diamant entsteht unter hohem Druck (100-150 kbar) und Temperaturen (1200°C-1500°C), wie sie im Erdmantel in etwa 150 km Tiefe auftreten. Welche Ausgangsstoffe zur Diamantbildung führen, ist bis heute noch unklar. Es wird prinzipiell von einer Reduktion des CO₂ ausgegangen. Die Kristallisation von Diamant erfolgt nur sehr langsam. Geht die Abkühlung schnell von statten, wird die Umwandlung in Graphit unterdrückt. Durch Vulkanausbrüche und Lava gelangte der Diamant an die Erdoberfläche. Die Hauptfördergebiete befinden sich in Russland, Afrika und Südafrika, sowie in Australien und Kanada. Es wird weiterhin vermutet, dass Diamant-Nanopartikel im Weltall vorkommen. Terrestrischer Nano-Diamant konnte bisher aber nicht nachgewiesen werden.

Die Herstellung synthetischer Diamanten gelang dem Physiker Erik Lundblad erstmals 1953. Heute werden sie für industrielle Anwendung durch Hochtemperatur-Hochdruck Verfahren hergestellt. Die Umwandlung von Kohlenstoff in Diamant erfolgt bei 1200-1400°C und unter einem Druck von 5-7 GPa, wobei Metalle als Lösemittel und Katalysator ausgenutzt werden. In den 1960er Jahren wurde von sowjetischen Forschern erstmals gezeigt, dass Diamant auch aus der Gasphase bei Atmosphärendruck abgeschieden werden kann. Heute wird das Verfahren im industriellen Maßstab zur Abscheidung von mehrere Mikrometer dicken Verschleißschutzschichten genutzt. Auch zentimetergroße Kristalle, die als optische Fenster z.B. in Messgeräten genutzt werden, lassen sich so erzeugen. Nanoskalige Diamanten werden mit Hilfe von Schockwellen oder Detonationssverfahren gewonnen, bei denen für eine kurze Zeit hohe Temperaturen und Drücke entstehen.

Weiterführende Informationen

1. Krueger, Anke (2008). Neue Kohlenstoffmaterialien: Nanodiamant, Vieweg+Teubner Verlag, S.331-388, ISBN 978-3-519-00510-0.
2. Roempp Online (DE) – Diamanten
3. Mineralienatlas.de - Diamant