Das härteste Mineral der Welt

Obwohl sie aus ordinärem Kohlenstoff bestehen, gelten sie als unvergänglich, widerstehen enormen Drücken und durchschneiden selbst Gestein, Glas oder Stahl: Diamanten sind das härteste natürlich entstandene Material, sie erreichen den maximalen Wert 10 auf der Mohschen Härteskala. Das spiegelt auch ihr Name wider: Der Begriff Diamant leitet sich von griechischen Wort „adamas“ ab – unbezwingbar.

Kompaktes Gitter und stabile Bindungen

Doch was steckt hinter der ungewöhnlichen Widerstandsfähigkeit dieser Edelsteine? Schließlich sind sie nichts weiter als gewöhnlicher Kohlenstoff und bestehen damit aus dem gleichen Element wie der weiche, abreibbare Graphit, Holzkohle oder das aus nur einer Atomlage bestehende Graphen. Allen gemeinsam ist, dass ihre Kohlenstoffatome vier Außenelektronen besitzen und mit bis zu vier Partnern kovalente Bindungen eingehen können. Bei einer solchen Bindung kommt es zu Wechselwirkungen zwischen den Elektronen der beteiligten Atome, durch die die Orbitale der Elektronen verschmelzen und gemeinsame Hybridorbitale entstehen.

Weil ein Diamant unter extremem Druck und hohen Temperaturen entstanden ist, bilden seine Kohlenstoffatome besonders kompakte und stabile Bindungen zu ihren Nachbarn aus. Es entsteht ein kubisches Kristallgitter, in dem jedes Kohlenstoffatom über vier längliche sp3-Hybridorbitale mit vier benachbarten Kohlenstoffatomen verbunden ist. Die Bindungen formen ein Tetraeder, in dessen Zentrum der Atomkern liegt.

Hochdruck, Härte und Hitzebeständigkeit

Die Kombination aus hoher Bindungsenergie zwischen den Kohlenstoffatomen und der kompakten Gitterstruktur macht den Diamanten so widerstandsfähig. Sein Kristallgitter bleibt selbst bei einem extremen Druck von hunderten Gigapascal stabil und widersteht der Verformung. Deswegen nutzen Wissenschaftler Diamant-Stempelzellen, wenn sie in Hochdruckexperimenten beispielsweise die Bedingungen im Erdkern oder im Inneren anderer Planeten nachbilden wollen.

Gleichzeitig lässt sich die Diamantoberfläche von keinem anderen Material ohne Weiteres einritzen. Das Schleifen von Rohdiamanten gelingt nur, weil dafür winzige Diamantkörnchen eingesetzt werden. Weil es selbst beim Diamantgitter je nach Ausrichtung winzige Unterschiede in der Härte gibt, können die Körnchen nach und nach Teile des Gitters abtragen. Doch selbst mit ihnen kann es Wochen oder sogar Monate dauern, bis ein Rohdiamant fertig geschliffen ist.

Diamanten sind jedoch nicht nur hart, sie besitzen auch von allen Mineralen den höchsten Schmelzpunkt. Um sie zu verflüssigen, benötigt man einen Druck von mehr als 12,7 Megapascal und Temperaturen von rund 4.000 Grad. Ist der Druck beim Erhitzen niedriger, wandelt sich die Diamantstruktur in Graphit um. Seine kompakte Gitterstruktur verleiht dem Diamanten zudem eine der besten Wärmeleitfähigkeiten aller Elemente. Mit rund 2.300 Watt pro Meter liegt sie fast fünfmal höher als bei Silber.

Das Rätsel der Entstehung

Diese Eigenschaften des Diamanten sind eng mit seiner Entstehung verknüpft. Denn sein kompaktes Gitter entsteht nur dann, wenn reiner Kohlenstoff unter Hitzeeinwirkung stark komprimiert wird. Die meisten Diamanten werden daher rund 150 bis 200 Kilometer tief im Erdmantel bei Temperaturen von deutlich mehr als 1.000 Grad gebildet. Die edelsten und größten Diamanten haben sogar noch tiefere Wurzeln – sie stammen aus mehr als 660 Kilometer Tiefe, wie winzige Einschlüsse in ihrer Kristallstruktur belegen.

Doch wie die Diamantbildung im Einzelnen abläuft und welche Faktoren dabei eine Rolle spielen, ist bislang erst in Ansätzen geklärt. So könnten in manchen Fällen Änderungen des pH-Werts eine Rolle spielen, in anderen wird die Kristallbildung durch flüssiges Metall in Gesteinsporen oder elektrische Felder begünstigt. Es gibt aber auch Edelsteine, die bei überraschend wenig Hitze und Druck in abgetauchter Ozeankruste entstanden sind.

All dies deutet darauf hin, dass Diamanten in Laufe der Erdgeschichte durch ganz unterschiedliche Prozesse gebildet wurden. „Angesichts der enormem Vielfalt von natürlichen Diamanten in Bezug auf ihre Morphologie, ihre Einschlüsse, das Alter, sowie die petrologischen und geodynamischen Umstände ihrer Herkunft, liegt es nahe, dass auch verschiedene Mechanismen für ihre Bildung verantwortlich sind“, konstatierten Yuri Palyanov von der Staatsuniversität Nowosibirsk und seine Kollegen 2021 im Fachmagazin „Science Advances“.