Forscherinnen und Forschern am Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz ist ein bemerkenswerter Materialkniff gelungen: Sie haben Nanodiamanten gezielt aus winzigen Graphen-Bausteinen aufgebaut. Wie heise online berichtet, entstanden dabei Diamanten von nur etwa drei bis vier Nanometern Größe.
Graphen und Diamant – beide aus reinem Kohlenstoff
Beide Materialien bestehen ausschließlich aus Kohlenstoff, sind aber völlig verschieden aufgebaut. Graphen ist eine nur ein Atom dünne Schicht, in der die Kohlenstoffatome wabenförmig angeordnet sind – extrem leitfähig und reißfest. Diamant dagegen ist ein dreidimensionales, besonders hartes Kristallgitter. Nanodiamanten sind solche Kristalle im Nanometerbereich, millionenfach kleiner als ein Sandkorn.
Aufbauen statt zerkleinern
Bisher gewinnt man Nanodiamanten meist durch Sprengstoffdetonation oder das Zermahlen größerer Diamanten – Verfahren ohne genaue Kontrolle über Größe und Reinheit. Das Mainzer Team unter Leitung von Yingke Wu und Tanja Weil kehrt das Prinzip um: Aus genau definierten, flachen Graphen-Molekülen werden unter hohem Druck und hoher Temperatur diamantartige Nanostrukturen aufgebaut – ein sogenanntes Bottom-up-Verfahren. Der Vorteil: Größe, Struktur und Zusammensetzung lassen sich gezielt steuern.
Quanteneigenschaften gleich eingebaut
Besonders interessant ist, dass sich optisch aktive Zentren bereits während der Synthese einbauen lassen. Werden Silizium- oder Germaniumatome eingefügt, leuchten die Nanodiamanten in unterschiedlichen Farben. Stickstoffatome bilden sogenannte Fehlstellen-Zentren, die als Quelle einzelner Lichtteilchen dienen können. Bislang waren dafür aufwendige Nachbehandlungen nötig.
Anwendungen in Quanten- und Biotechnik
Damit eröffnen sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten: als Lichtquellen, als hochempfindliche Magnetfeldsensoren oder als Qubits – die Grundbausteine von Quantencomputern. Auch in der Biomedizin könnten die winzigen Kristalle dank ihrer optischen Eigenschaften nützlich sein, etwa zur Bildgebung in Zellen.
An der in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Arbeit waren neben dem Mainzer Institut weitere Einrichtungen beteiligt, darunter das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg, ein weiteres Max-Planck-Institut in Potsdam, das Leibniz-Institut für Neue Materialien sowie mehrere Universitäten im In- und Ausland. Lässt sich das Verfahren weiter ausbauen, könnten Nanodiamanten künftig reproduzierbar und mit maßgeschneiderten Eigenschaften hergestellt werden – ein möglicher Baustein für Technologien, die bisher am Mangel geeigneter Materialien scheiterten.
