Diamant, zoals grafiet, is een speciale vorm van koolstof. De kubische kristalstructuur en de sterke chemische bindingen geven het zijn unieke hardheid. Voor duizenden jaren, het is ook gewild als hulpmiddel en als iets moois. Pas in de jaren vijftig werd het voor het eerst mogelijk om diamanten kunstmatig te produceren.

De meeste natuurlijke diamanten vormen zich in de aardmantel op een diepte van minstens 150 kilometer, waar temperaturen van meer dan 1500 graden Celsius en enorm hoge drukken van enkele gigapascals heersen - meer dan 10.000 keer die van een goed opgepompte fietsband. Er zijn verschillende theorieën over de exacte mechanismen die verantwoordelijk zijn voor hun vorming. Het uitgangsmateriaal is carbonaatrijke smelt, d.w.z. verbindingen van magnesium, calcium of silicium die rijk zijn aan zowel zuurstof als koolstof.

Een nieuwe weg voor de vorming van diamanten

Omdat in de aardmantel elektrochemische processen plaatsvinden en de daar aanwezige smelten en vloeistoffen een hoge elektrische geleidbaarheid kunnen hebben, onderzoekers onder leiding van Yuri Palyanov van het V.S. Sobolev Instituut voor Geologie en Mineralogie SB van de Russische Academie van Wetenschappen Novosibirsk ontwikkelden een model voor de vorming van diamanten waarin sterk gelokaliseerde elektrische velden een centrale rol spelen. Volgens dit begrip, het toepassen van minder dan zelfs één volt - een spanning die lager is dan die van de meeste huishoudelijke batterijen - levert elektronen op die een chemisch transformatieproces in gang zetten. Deze beschikbare elektronen maken het mogelijk dat bepaalde koolstof-zuurstofverbindingen van de carbonaten CO . worden ₂ door een reeks chemische reacties, uiteindelijk leidend tot pure koolstof in de vorm van diamant.

Om hun theorie te testen, het Russische onderzoeksteam ontwikkelde een geavanceerde experimentele faciliteit:een platinacapsule ter grootte van een millimeter werd omgeven door een verwarmingssysteem dat op zijn beurt in een hogedrukapparaat werd geplaatst dat nodig was om immense drukken tot 7,5 gigapascal te produceren. Klein, zorgvuldig geconstrueerde elektroden die in de capsule werden geleid, die waren gevuld met carbonaat- of carbonaat-silicaatpoeders. Talloze experimenten werden uitgevoerd bij temperaturen tussen 1300 en 1600°C, waarvan sommige wel 40 uur duurden.

Diamanten groeien alleen met spanning

De experimenten uitgevoerd in Novosibirsk toonden aan, als voorspeld, dat er in de loop van enkele uren kleine diamantjes in de buurt van de negatieve elektrode groeien, maar dit gebeurde alleen als er een kleine spanning werd aangelegd; een halve volt was al genoeg. Met een diameter van maximaal 200 micrometer, d.w.z. een vijfde van een millimeter, de nieuw gecreëerde kristallen waren kleiner dan een typische zandkorrel. Verder, zoals verwacht, de andere zuivere koolstof minerale grafiet bleek te vormen in experimenten uitgevoerd bij lagere drukken. Verder bewijs van het nieuwe mechanisme kwam toen de onderzoeker de spanningspolariteit omkeerde - diamanten groeiden toen op de andere elektrode, precies zoals verwacht. Zonder dat er spanning van buitenaf wordt geleverd, wordt er in de capsule geen grafiet of diamant gevormd. In de buurt van de diamanten, andere mineralen die worden geassocieerd met de diepe mantel van de aarde werden ook gevonden.

"De experimentele faciliteiten in Novosibirsk zijn absoluut indrukwekkend, " zegt Michael Wiedenbeck, hoofd van het SIMS laboratorium bij de GFZ, dat deel uitmaakt van Potsdam's Modular Earth Science Infrastructure (MESI). Hij werkt al meer dan tien jaar samen met de Russische onderzoekers; hij samen met SIMS laboratoriumingenieur Frédéric Couffignal, analyseerden diamanten geproduceerd door hun Russische collega's. Om te bepalen of de theorie van Yuri Palyanov over diamantvorming volledig correct is, de isotopensamenstelling van de diamanten moest zeer nauwkeurig worden gekarakteriseerd.

Precisieanalyse "made in Potsdam"

De onderzoekers van Potsdam gebruikten hiervoor secundaire ionenmassaspectrometrie (SIMS). Het Potsdam-instrument is een zeer gespecialiseerde massaspectrometer, geowetenschappers van over de hele wereld voorzien van uiterst nauwkeurige gegevens uit extreem kleine steekproeven. "Met deze technologie kunnen we de samenstelling van kleine gebieden op submillimetermonsters met grote precisie bepalen, " zegt Wiedenbeck. Dus, minder dan een miljardste gram van een in het laboratorium geproduceerde diamant moest worden verwijderd met behulp van een zeer nauwkeurig gerichte ionenstraal. Elektrisch geladen atomen werden vervolgens geïnjecteerd in een zes meter lang apparaat dat elk de miljarden deeltjes scheidde op basis van hun individuele massa. Deze technologie maakt het mogelijk om chemische elementen te scheiden, en in het bijzonder is het mogelijk om hun lichtere of zwaardere varianten, bekend als isotopen, te onderscheiden. "Op deze manier hebben we aangetoond dat de verhouding tussen de koolstofisotopen 13C tot 12C zich precies gedraagt ​​volgens het model dat is ontwikkeld door onze collega's in Novosibirsk. Hiermee, we hebben bijgedragen aan het laatste stukje van de puzzel, bij wijze van spreken, om deze theorie te bevestigen, " zegt Wiedenbeck. Echter, opgemerkt moet worden dat deze nieuwe methode niet geschikt is voor de massaproductie van grote kunstmatige diamanten.

"Onze resultaten laten duidelijk zien dat elektrische velden moeten worden beschouwd als een belangrijke extra factor die de kristallisatie van diamanten beïnvloedt. Deze waarneming kan behoorlijk belangrijk blijken te zijn voor het begrijpen van verschuivingen in koolstofisotoopverhoudingen binnen de wereldwijde koolstofcyclus, " vat Yuri Polyanov samen.