Faszination Technik Laserschock verwandelt Plastik in Nanodiamanten

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie Hochleistungslaser Plastikfolie in ultrareine Nanodiamanten verwandeln.

Tief im Inneren von Eisriesen wie Neptun oder Uranus herrschen unvorstellbare Bedingungen: Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius und ein millionenfach höherer Druck als in der Erdatmosphäre pressen Kohlenstoff zu Diamanten zusammen. Genau diese kosmische Schmiede haben Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Universität Rostock nun ins Labor geholt – mit beeindruckendem Potenzial für die industrielle Werkstofftechnik.

Mithilfe gezielter Laserkompression ist es den Wissenschaftlern gelungen, aus einfachem Kunststoff ultrakleine Diamanten von höchster Reinheit und mit einer extrem engen Größenverteilung herzustellen. Bisherige Syntheseverfahren, die auf Explosionen basieren, scheitern an dieser präzisen Kontrolle der Partikelgröße.

Ein Meteoriteneinschlag im Labor

Die technische Umsetzung dieses Verfahrens verlangt nach Superlativen: An der Extreme Light Infrastructure (ELI) bei Prag feuert ein Hochleistungslaser dreimal pro Minute Lichtblitze auf eine nur 100 Mikrometer dünne PET-Folie. Die dabei entstehende Schockwelle komprimiert das Material derart extrem, dass sich in Bruchteilen von Sekunden Nanodiamanten bilden.

Die größte Herausforderung für die Forscher bestand jedoch im Auffangen der Partikel. „Wenn die Kompressionswelle das Ende der Probe erreicht, geht es schlagartig ins Vakuum. Dabei beschleunigt sie die Nanodiamanten auf Geschwindigkeiten von mehr als zehn Kilometern pro Sekunde, das ist vergleichbar mit einem Meteoriteneinschlag“, erklärt Prof. Dominik Kraus, Gründungsdirektor am Institut für Hochenergiedichtephysik des HZDR. Damit die winzigen Diamanten beim Aufprall nicht sofort wieder zerstört werden, schießen sie in einen Zylinder, der mit einem extrem weichen, wasserlöslichen ionischen Gel gefüllt ist.

Pro Laserschuss entstehen rund 10 Billionen nahezu identische Diamanten.

Skalierbar und maßgeschneidert für die Industrie

Die Ausbeute ist enorm: Pro Laserschuss entstehen rund 10 Billionen nahezu identische Diamanten. Da ein einzelner Partikel jedoch nur rund drei Nanometer misst und aus gerade einmal 3.000 Kohlenstoffatomen besteht, benötigt das Team derzeit noch etwa 100 Schüsse für eine Ausbeute im Mikrogramm-Bereich. Doch das Verfahren gilt als hochgradig skalierbar. Durch den Einsatz moderner, energieeffizienter Hochenergielaser mit hohen Repetitionsraten wollen die Forscher bald in den industriell relevanten Milligramm-Bereich vorstoßen.

Die extrem harten und hitzebeständigen Nanodiamanten lassen sich vielfältig nutzen:

• Sensorik: Als hochempfindliche Quantensensoren für präziseste Messaufgaben.
• Katalyse und Energietechnik: Dank ihrer großen spezifischen Oberfläche fungieren sie als hocheffiziente Reaktionsbeschleuniger, beispielsweise bei der Spaltung von CO₂ durch Sonnenlicht.
• Materialentwicklung: Da als Ausgangsmaterial einfaches Plastik dient, lassen sich die Diamanten im Prozess spielend leicht mit Fremdatomen dotieren und so exakt an spezifische Anforderungsprofile anpassen.

Mit dem Laserverfahren wollen sie in Kürze „BC8“ herstellen – eine bisher nur theoretisch vorhergesagte Kohlenstoffform, die auf der Erde natürlich nicht vorkommt.

Ausblick: Ein Werkstoff, der den Diamanten übertrifft

Die Forscher blicken bereits über den Diamanten hinaus. Mit dem Laserverfahren wollen sie in Kürze „BC8“ herstellen – eine bisher nur theoretisch vorhergesagte Kohlenstoffform, die auf der Erde natürlich nicht vorkommt. Die faszinierende Eigenschaft von BC8: Das Material soll noch dichter als ein Diamant, ähnlich hart, aber deutlich weniger spröde sein. Für die Verschleißtechnik und den Maschinenbau wäre dies eine absolute Sensation. Ein erstes Experiment dazu ist bereits angesetzt.

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