Kristall

Der Diamant ist ein faszinierendes Material, gewissermaßen „der König der Kristall“. Er ist nicht nur der teuerste Edelstein und das härteste bekannte Material, sondern er gehört auch zu einer Familie von kristallinen Strukturen, die ausschließlich aus Kohlenstoffatomen bestehen und deren Eigenschaften so erstaunlich und wertvoll sind wie die des Diamanten selbst. Zu dieser Familie der Polymorphe – Kristalle mit gleicher chemischer Zusammensetzung, aber unterschiedlicher Struktur – gehören neben Graphit auch die Fullerene, Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen. Sie alle sind verschiedene Formen der Anordnung von Kohlenstoffatomen, und einige spielen möglicherweise eine sehr wichtige Rolle in der menschlichen Geschichte.

Wissen Sie, in welchem Verhältnis die verschiedenen Kohlenstoff-Polymorphe zueinander stehen? Haben Sie sich jemals gefragt, wie die Qualität eines Diamanten beurteilt wird? Wussten Sie, dass ein zweidimensionaler Quadratmeter einer Graphenplatte vier Kilogramm Gewicht tragen kann?

Die Bedeutung der kristallinen Struktur einer Verbindung ist entscheidend für ihre Eigenschaften, und es gibt nichts Besseres als Diamant und Graphit, um dies zu demonstrieren. Beide sind Stücke von Kohlenstoff – das heißt, sie sind beide aus Kohlenstoffatomen gebildet. Eines ist jedoch ein billiges Material, das wir unter anderem zum Zeichnen verwenden: Graphit ist das Material, das heute die Mine unserer Bleistifte ist. Während der Diamant nach der Etymologie seines Namens – Adámas – das wertvollste, unzerbrechliche Material ist, das härteste bekannte Material, das Mineral, das von keinem anderen gekratzt werden kann.

Kristall

Der Unterschied zwischen Diamant und Graphit ist die Struktur und damit die Form, in der die Kohlenstoffatome gebunden sind. Im Diamanten ist diese Struktur extrem kompakt. Für Kristallographen gehört es zum kubischen System. In dieser Struktur sind alle Kohlenstoffatome durch starke kovalente Bindungen verbunden, was es zu einem sehr harten Material macht, dem härtesten bekannten.
Kubische Struktur von Diamant, bei der alle Kohlenstoffatome durch starke kovalente Bindungen verbunden sind.

Die Struktur von Graphit unterscheidet sich stark von derjenigen des Diamanten. In Graphit sind die Kohlenstoffatome in Schichten aufgeteilt. Innerhalb jeder Schicht ist jedes Kohlenstoffatom an drei weitere gebunden, wodurch Sechsecke entstehen. Diese drei Bindungen sind starke kovalente Bindungen vom gleichen Typ wie die der Struktur des Diamanten. Aber zwischen den einzelnen Schichten sind die Kohlenstoffatome aufgrund der sogenannten Van-der-Waals-Kräfte eher schwach gebunden.

Kristall

Lamellare Struktur von Graphit. Die Atome in den Schichten sind durch starke kovalente Bindungen verbunden, aber die Kräfte, die die Kohlenstoffatome zwischen den Schichten verbinden, sind schwache Van-der-Waals-Kräfte.
Diese Struktur ist ideal, um das Konzept der Anisotropie in Kristallen zu verstehen – mit anderen Worten, die Variation der Eigenschaften des Kristalls mit der Richtung, in der sie gemessen wird.
Der Zusammenhalt der Atome in jeder der Richtungen, die in den Sechsecken liegen, ist außerordentlich, was es sehr schwierig macht, sie zu trennen. Aber der Zusammenhalt zwischen den Schichten, also in jeder Richtung außerhalb der hexagonalen Schichten, ist viel schwächer. Die Schichten trennen sich sehr leicht, so sehr, dass wenn wir mit einem Graphitkristall Druck auf das Papier ausüben, sich die Schichten trennen und am Papier haften bleiben. Dies ist der Graphitstift.

Neben Graphit und Diamant können Kohlenstoffatome weitere Strukturen von großem wissenschaftlichem und technologischem Interesse bilden. Vor einigen Jahren spielten zwei russische Forscher, Andre Geim und Konstantin Novoselov, damit, hexagonale Graphitplatten mit Klebeband zu trennen. Sie wollten sehen, ob sie es schaffen, nur ein Blatt zu trennen. Mit Geduld gelang es ihnen, und sie gaben ihm den Namen Graphen. Diese Schichten aus hexagonal beabstandeten Kohlenstoffatomen haben überraschende Eigenschaften, auf die sich viele Hoffnungen für zukünftige Technologien richten.

Die Entdeckung von Graphen hat den Forschern den Nobelpreis eingebracht. Wenn Sie mehr über Graphen wissen wollen, empfehlen wir Ihnen die Website des Nobelkomitees, auf der Sie sowohl grundlegende als auch fortgeschrittene Informationen über Graphen finden.
Man könnte sagen, dass Graphen ein zweidimensionaler Diamant ist. Mit anderen Worten, es ist ein ultrafeines Material mit den Eigenschaften von Diamant: extrem hart, ein besserer elektrischer Leiter als Kupfer, besserer Wärmeleiter als jedes andere Material, so dicht, dass kein Gas hindurch kann, und es ist auch flexibel.

SYNTHETISCHER DIAMANT

Diamant ist der Edelstein, der am widerstandsfähigsten gegen die Synthese ist, aber wie das geht, ist seit der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts bekannt.
Waren es anfangs Methoden mit sehr hohem Druck, so sind es heute Methoden, die hohe Temperaturen, einen bestimmten Druck und die Verwendung eines Samens, auf dem das Wachstum mit Hilfe von in einem Flussmittel gelöstem Kohlenstoff gestartet wird, erfordern.

Obwohl bei der Erwähnung von Diamanten jeder an den enorm teuren Schmuck denkt, haben Diamantkristalle viele andere Verwendungen, wie z.B. als Schleifmittel und für Schneidwerkzeuge. Die meisten synthetischen Diamanten sind sehr klein und werden in der Industrie verwendet. Aber in letzter Zeit werden Diamanten in Juwelenqualität mit einer Größe von mehreren Karat für die Verwendung in Schmuckstücken hergestellt. Die Technik wurde vor allem in Russland, im Technologiegebiet Novosibirsk, entwickelt, ist aber bereits sehr weit verbreitet.

Auch wenn es unglaublich erscheinen mag: Diamanten können – und werden – industriell unter Atmosphärendruck hergestellt. Die Entdecker der Methode, einige russische Wissenschaftler, galten als Träumer, weil man glaubte, dass die Herstellung von Diamanten nur bei hohen Temperaturen und Drücken möglich sei. Aber sie hatten Recht, und heute werden Diamanten aus Methan mit Hilfe von Mikrowellen hergestellt, die eine Atmosphäre aus Wasserstoffplasma erzeugen.

In Wirklichkeit wird wenig Diamant und viel Graphit produziert, aber der Wasserstoff löst den Graphit auf und hinterlässt mehrere hundert Mikrometer dicke Schichten. Diese Folien werden bei der Herstellung von Lautsprechern, bei der Beschichtung von Supermaterialien mit einer chemisch und mechanisch resistenten Schicht verwendet. Diamant ist ein ausgezeichneter Wärmeleiter, daher der Versuch, Halbleiterdiamanten als Alternative zu Silizium herzustellen.

Wussten Sie, dass…

Die Farben vieler Edelsteine sind nicht auf Pigmentierung zurückzuführen, sondern auf das Vorhandensein von Defekten in der kristallinen Struktur, den sogenannten Farbzentren.

Die Qualität (und damit der Preis) eines Diamanten hängt von den „vier C’s“ ab. Diese sind Karat (Gewicht), Klarheit (Transparenz), Schliff (Größe) und Farbe. Diese vier Merkmale, die den Wert eines Diamanten bestimmen, hängen alle von der Kristallographie des Diamanten ab. Weitere Informationen finden Sie auf dieser Website.

Grafikmaterial ist eines der vielversprechendsten Materialien der Zukunft. Es ist 200-mal widerstandsfähiger als Stahl, leitet Wärme und Strom besser als Silizium und ist nicht zerbrechlich wie Silizium.

Im Moment ist der Preis von Graphen sehr hoch. Ein Quadratzentimeter kostet etwa 8 Euro. Bevor wir technologische Allzweckprodukte auf Basis von Graphen sehen, muss dieser Preis deutlich sinken, auf mindestens 10 Cent pro Quadratzentimeter.

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