SEIT JAHRTAUSENDEN gilt Diamant als König der Edelsteine; in der Antike und bis in die Neuzeit hinein war der Aberglaube weit verbreitet, dass der Stein seinem Träger übernatürliche Kräfte verleiht. Dies ist nicht weiter erstaunlich, weist doch Diamant eine ganze Reihe auffallender Eigenschaften auf. Vor allem in bezug auf Härte ist er jedem anderen Mineral weit überlegen; dazu kommen eine sehr hohe Festigkeit und ein wunderbares «Feuer» auf Grund des hohen Brechungsindex. Eigentümlich mutet die Tatsache an, dass sich Diamant - im Gegensatz zu allen anderen Edelsteinen - kalt anfasst: er leitet ja Wärme besser als Kupfer, obwohl er ein sehr guter elektrischer Isolator ist.
Bis Ende des 18. Jahrhunderts war den Menschen die Zusammensetzung des Diamants ein Rätsel; erst dann stellte man fest, dass Diamant bei starkem Erhitzen verbrennt, wobei nichts als Kohlendioxid entsteht, ein gewöhnliches Gas. Denn Diamant ist reiner, kubisch kristallisierter Kohlenstoff; chemisch gesehen ist er identisch mit dem hexagonalen Graphit, dem teilweise amorphen Russ und den aus 60 und mehr Kohlenstoffatomen bestehenden, fussballartigen Fulleren-Clustern. Erhitzt man Diamant unter Luftabschluss auf 1200 Grad Celsius, so wandelt er sich rasch in Graphit um, der eine um 60 Prozent geringere Dichte aufweist.
Dieser rein physikalische Prozess musste umkehrbar sein: unter hohem Druck sollte also Diamant aus Graphit entstehen, der so wertvolle und nützliche Diamant musste also synthetisch herstellbar sein. Bald tummelten sich Betrüger und Scharlatane auf dem Gebiet der künstlichen Diamantherstellung, die mitunter an das Treiben der mittelalterlichen Alchimisten gemahnte; mancher leichtgläubige Investor verlor da sein Geld. Zwischen 1800 und 1953 wurde in mindestens 150 wissenschaftlichen Arbeiten von der angeblich erfolgreichen Diamantsynthese berichtet. Es handelte sich mit ganz wenigen und nicht voll gesicherten Ausnahmen, auf die wir hier noch zurückkommen werden, indessen durchwegs um falsch-positive Ergebnisse.
Lange unerklärt blieben die Experimente des Chemieprofessors J. B. Hannay in Glasgow. Er übergab 1880 dem British Museum in London ein Dutzend eindeutig echter Diamantsplitter von 0,2 bis 0,4 mm Kantenlänge als Ergebnis seiner scheinbar erfolgreichen Synthese. Hannays Vorgehensweise war richtiggehend heroisch: Er erhitzte ein Gemisch von Knochenöl, Paraffinöl und etwas Lithiummetall in dickwandigen, hermetisch dicht verschraubten Stahlrohren auf Weissglut. Dabei zersetzten sich die Kohlenwasserstoffe: der freigesetzte Wasserstoff übte einen sehr hohen Druck auf den Kohlenstoff aus, der dann als Diamant auskristallisieren sollte.
Von Hannays insgesamt 80 zur Diamantsynthese durchgeführten Experimenten gingen fast alle schief; die Autoklaven, die Druckapparate, explodierten wie Bomben, zweimal wurde dabei Hannays Laboratorium zertrümmert. Aber in den drei intakt gebliebenen Rohren fand Hannay Spuren von Diamant. Die Partikeln sind heute noch erhalten und wurden in den siebziger Jahren mit den modernsten spektroskopischen Instrumenten untersucht. Dabei zeigte es sich eindeutig, dass Hannays Diamanten natürlichen Ursprungs sind. Es handelt sich nämlich um die recht häufig verbreiteten Typen, die entweder Stickstoffaggregate als Hinweis auf eine sehr langsame Kristallisation enthalten oder bestimmte Gitterfehlstellen, die nur unter der Wirkung radioaktiver Strahlung im Erdinneren entstehen können. Auch lässt sich leicht ausrechnen, dass Hannay in seinen Stahlrohren höchstens einen Druck von 1000 Atmosphären bei 800 Grad Celsius erreichte, was für die Synthese von Diamant bei weitem nicht ausreicht.
Man wird wohl nie erfahren, wie Splitter von Naturdiamant in Hannays Autoklaven gerieten. Denkbar ist, dass seine Assistenten sie der Ölmixtur zugaben, um dem Professor eine Freude zu machen und ihn von weiteren lebensgefährlichen Experimenten abzuhalten. Wahrscheinlicher ist jedoch, dass die Druckrohre unbeabsichtigt mit Diamant «kontaminiert» wurden, von dem es in Hannays Arbeitsräumen zum Durchexerzieren analytischer Nachweisverfahren zahlreiche Proben gab.
Besonders häufig zitiert wird das spektakuläre Verfahren, mit dem es dem französischen Chemiker Henri Moissan 1896 scheinbar als erstem gelang, Diamant herzustellen. Moissan löste in flüssigem, im Lichtbogenofen auf über 2000 Grad erhitztem Eisen Zuckerkohle bis zur Sättigung auf; dann liess er das Metall an der Oberfläche erstarren und schreckte den innen noch flüssigen Block in Wasser ab. Weil Kohlenstoff in flüssigem Eisen viel besser löslich ist als in der festen Phase, scheidet er beim Erstarren aus, normalerweise in der Form von Graphitplättchen. Nun dehnt sich aber Eisen mit einem Gehalt von etwa 4,5 Prozent Kohlenstoff beim Erstarren aus; Moissan hoffte, dass unter der Druckwirkung der expandierenden Eisenmatrix gegen die bereits erstarrten Wände der Kohlenstoff in der Form von Diamant auskristallisieren würde. Nach Auflösung des erkalteten Eisenblocks in Säure fand er denn auch winzige, farblose und sehr harte Kristalle, die beim Erhitzen in Luft verbrannten und die Dichte von Diamant aufwiesen.
Andere analytische Kriterien gab es damals nicht: allein die Röntgenbeugung hätte einen eindeutigen Entscheid ermöglicht, doch war sie noch nicht erfunden. Leider sind keine Proben von Moissans Diamanten erhalten geblieben: sie wurden durch die Analyse zerstört. Doch seine Ergebnisse stiessen in der Fachwelt ohnehin bald auf grösste Skepsis; es stellte sich nämlich heraus, dass bei Moissans Verfahren weder der Druck noch die Temperatur ausreichten, um Graphit in Diamant umzuwandeln. Dennoch wurde das Experiment andernorts, in England, Deutschland, Holland und in den USA, wiederholt, einige Male offenbar mit Erfolg. Die Erklärung der positiven Ergebnisse ist sicher nicht einfach: interessant ist die Deutung, wonach bei der Expansion des rasch erstarrenden Eisens kurzzeitig Hohlräume entstehen und gleich wieder kollabieren. Dieser Effekt wird als Kavitation bezeichnet; er führt zur Auslösung von Schockwellen, in denen die zur Entstehung von Diamant erforderlichen Druckbedingungen doch erfüllt sein könnten.
Ob Moissan tatsächlich Diamant erhielt, lässt sich somit nicht ausschliessen, ist aber nicht eindeutig gesichert. Die kontrollierte, mit hohem Wirkungsgrad ablaufende Synthese von Diamant gelang jedenfalls erst 1953 in Schweden, wo Wissenschafter der Asea eine neuartige Hochdruckpresse gebaut hatten. Sie war so stark, dass Graphit mit Hilfe von flüssigem Nickel als Lösungsmittel und Katalysator ohne weiteres in Diamant umgewandelt werden konnte.
Die Publikation dieser aufsehenerregenden Ergebnisse verzögerte sich jedoch, bis zwei Jahre später General Electric in den USA mit grosser Fanfare ihre Hochdruck-Diamantsynthese bekannt gab. Die von Wissenschaftern beider Unternehmen unabhängig voneinander entwickelten Verfahren waren fast identisch. Seither ist synthetischer Diamant ein wichtiger Werkstoff geworden; rund 90 Prozent der weltweit benötigten Industriediamanten werden heute nach dem statischen Asea/General-Electric-Hochdruckverfahren hergestellt. Man verwendet sie zum hochtourigen Bohren, Sägen, Fräsen und Polieren aller erdenklichen Materialien, von Beton und Granit über glasfaserverstärkten Kunststoff bis zu Messing und Holz, und auch die Bohrer des Zahnarztes sind mit winzigen Diamanten bestückt.
Bei der Diamantsynthese arbeitet man bei Drücken von 70 000 bis 100 000 Atmosphären und Temperaturen von 1500 bis 1800 Grad. Die erforderliche Zeit hängt von der gewünschten Grösse der Diamanten ab und liegt für die meistverwendeten Korngrössen im Bereich von Minuten. Man hat auch gelernt, lupenreine, völlig farblose Steine herzustellen; letztere sehen aus wie der berühmte Hope-Diamant. Selbst die Synthese grosser Diamant-Einkristalle hat sich nicht als besonders schwierig erwiesen und konnte erheblich beschleunigt werden. So stellt De Beers grosse Mengen von mehrkarätigen Diamanten her, die mit dem Laser in Plättchen zerlegt werden; daraus fertigt man Abrichtstäbchen und vor allem Ziehsteine mit Kantenlängen bis 7 mm für das Ziehen von Drähten aus allen gängigen Metallen. Der Weltrekord in der Diamantsynthese liegt bei einem Stein von 38,4 Karat, zu dessen Wachstum in der Hochdruckpresse 25 Tage benötigt wurden. Als Würfel hätte dieser Diamant eine Kantenlänge von 13 mm. Damit solche Steine nicht in den Schmucksektor gelangen, kommen sie zurzeit nur tiefgelb gefärbt in den Handel.
Auf Grund des ursprünglich sehr langsamen Wachstums in der Hochdruckpresse galt Diamant bis vor wenigen Jahren als der einzige Edelstein, der in der synthetischen Version teurer war als das Naturprodukt. Auch wenn das heute nicht mehr zutrifft, ist der Diamantbergbau nicht zum Erliegen gekommen. Die Menschen sind bereit, für einen chemisch und kristallographisch identischen Stein ein Mehrfaches zu bezahlen, wenn er in der Natur von selber entstanden ist. So werden für grosse, natürliche Rubine sechsstellige Beträge bezahlt, obwohl sie nur aus Aluminiumoxid mit 1 Prozent Chromoxid bestehen und es fast trivial einfach ist, die Kristalle praktisch makellos in der Knallgasflamme zu züchten, wobei die Materialkosten gleich null sind. Solche Steine sind prachtvoll und bezüglich Fehlstellendichte dem Naturprodukt überlegen, gelten aber eben als «unecht» und sind darum spottbillig. Der Mythos der Überlegenheit des «Naturprodukts» wird bei allen Edelsteinen sorgfältig gepflegt; besonders beim Diamant bringen die Schmucksteine mit ihren hohen Preisen ja riesige Gewinne.
Die zur Diamantsynthese erforderlichen Drücke und Temperaturen lassen sich auch dynamisch erreichen. So enthalten kohlenstoffhaltige Meteorite oft winzige Diamantkriställchen; sie entstehen unter der Wirkung von Schockwellen beim Aufprall auf die Erde oder bei einer ausserirdischen Kollision. Ähnliche Bedingungen lassen sich mit der Detonation von Sprengstoffen erreichen. So berichtete schon 1908 ein Sprengstoffexperte der britischen Admiralität über Spuren von Diamant, die bei der Zündung von Schiessbaumwolle in sehr starken Stahlzylindern entstanden. Dabei wurden mehr als 4000 Grad erreicht, bei Druckstössen von 100 000 Atmosphären; diese Werte liegen deutlich innerhalb des Umwandlungsbereichs von Graphit zu Diamant.
Eigentümlicherweise wurden diese Experimente seinerzeit nicht zur Kenntnis genommen. Die explosive Synthese von Diamant wurde erst 1961 wiederentdeckt und in den USA zur kommerziellen Reife entwickelt. Man geht aus von dicht gepressten Kupferpulver-Graphit-Mischungen oder auch von stark kohlenstoffhaltigem Gusseisen. Diese Materialien werden in Sprengstoff eingebettet; nach der Explosion löst man das Metall in Säure auf. Allerdings entstehen auf diese Weise nur kleine Diamanten; die explosive Schockwelle ist so kurz, dass die aus Graphit entstehenden Aggregate submikroskopischer Kriställchen gar keine Zeit zum Weiterwachsen haben.
Praktisch zeitgleich mit der Hochdrucksynthese gelang in den USA und in Russland das Vergrössern von Diamant bei Normaldruck. Dabei diente Erdgas als Kohlenstoffquelle in einer Wasserstoffatmosphäre, die elektrischen Entladungen ausgesetzt wurde. Die Entwicklung dieses Niederdruckverfahrens zur kommerziellen Reife machte nur sehr langsame Fortschritte; Hauptproblem war die äusserst geringe Wachstumsgeschwindigkeit der Diamanten, die anfänglich bei nur 0,1 Tausendstelmillimeter pro Stunde lag. Der Durchbruch liess nahezu dreissig Jahre auf sich warten. Heute verfügt man nun über Verfahren, Diamant aus der Gasphase auf praktisch jedem hitzefesten Substrat bei einer Temperatur von mindestens 600 Grad abzuscheiden, und erzielt Wachstumsraten von bis zu 1 mm pro Stunde. Es sind auch keine Wachstumskeime mehr notwendig: Diamantkriställchen können sich bei Normaldruck direkt auf Graphit bilden. Niederdruckdiamant liegt aber stets in der Form zahlreicher ineinander verzahnter, mikroskopischer Kriställchen vor. Einkristall-Diamantfilme, aus denen dem Silicium überlegene Mikroelektronikchips hergestellt werden könnten, bleiben weiterhin ein Wunschtraum.
Lucien F. Trueb ist Wissenschaftsredaktor der NZZ.