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Wissen & Umwelt

Eis schneiden mit Diamanten

Künstliche Diamanten aus dem Plasmareaktor lassen sich vielseitig einsetzen: Sie können Strom oder Wärme leiten und eignen sich als Sensoren für Giftstoffe. Wie das geht, zeigen Forscher auf der Hannover Messe.

Die Forscherin Nicola Heidrich hält am Messestand des

Fraunhofer-Instituts

für Angewandte Festkörperphysik IAF eine hauchdünne Diamantscheibe in der Hand. Auf der Hannover Messe demonstriert sie, wie sie damit langsam - ohne viel Druck auszuüben - einen Eiswürfel zerschneiden kann. Nur an der Härte des Diamanten liegt es aber nicht, dass die Scheibe durch das Eis geht, wie ein Messer durch Butter. Die Lösung: Der Diamant ist wärmeleitend. Die Wärme, die das Eis auftaut, kommt eigentlich aus ihren Fingern.

Zu Hause, im Freiburger Institut, stellen Heidrich und ihre Kollegen solche Diamanten in einem Plasmareaktor her. Diamanten bestehen aus hochverdichtetem Kohlenstoff. In der Natur entstehen sie aus Kohle, die unter immensem Druck im Berg zusammengepresst wird - das kann allerdings schon mal viele Millionen Jahre dauern.

Diamanten wachsen aus Kristallkernen heran

Ein Diamant, der durch Abscheidung aus der Gasphase in einem Plasmareaktor des Fraunhofer Instituts für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg gezüchtet wurde (Foto: Fraunhofer IAF).

So sieht ein gezüchteter Diamant aus dem Plasmareaktor aus

So viel Geduld - und auch Druck - ist bei der Methode der Freiburger Forscher aber nicht nötig. Sie lassen den hochreinen Diamanten praktisch von Grund auf heranwachsen - Molekül für Molekül. "Methan-Gas ist unser Kohlenstofflieferant. Dazu kommt noch Wasserstoff und dann schneiden wir aus der chemischen Gasphase das Material ab - auf Siliziumwafern", erklärt Heidrich das Verfahren. Das Ganze nennt sich dann Chemical Vapor Deposition (CVD).

Damit das gut funktioniert, müssen die Oberflächen der Siliziumwafer allerdings vorbehandelt sein, mit winzigen Diamantkernen - sogenannten Keimkristallen. Daran kann sich der Kohlenstoff aus dem Plasmareaktor dann anhängen, und ein hochreines Kristallgitter entsteht. Das Kristallgitter ist dann polykristallin, es besteht also aus unzähligen einzelnen Kristallen. Aber auch ein einzelner Diamant - wie er zum Beispiel in einem Schmuckstück vorkommt - lässt sich so züchten. Dann muss allerdings der Keimkristall aus einem einzigen Diamanten bestehen.

Bor uns Phosphor sorgen für Leitfähigkeit

Aber wieso kann der Diamant plötzlich Wärme leiten? "Diamanten an sich sind nicht leitend. Wenn wir aber während des Wachstumsprozesses ein Dotiergas hinzufügen, können wir die Eigenschaften verändern, sodass es dann leitend wird." Dazu nehmen die Forscher

Bor oder Phosphor

.

Nicht nur Wärme können die Diamantscheiben dann leiten, sondern vor allem auch elektrischen Strom. Und damit eignen sie sich hervorragend als Ausgangsmaterial für verschiedene Halbleiter, wie zum Beispiel Hochleistungstransistoren, zum Verstärken oder Schalten elektrischer Signale.

Spürnasen für Giftstoffe

Auch als Sensoren für chemische Stoffe eignen sie sich. Solche Diamant-Spürnasen können hohen Temperaturen und chemischen Belastungen gut standhalten und zum Beispiel im Wasser nach Verunreinigungen suchen. Sogar bestimmte DNA-Abschnitte in einer Lösung lassen sich mit solchen Sensoren detektieren.

Ein Roboter des Fraunhofer Instituts für Kommunikation Informatik und Ergonomie (FKIE) schließt Ventile (Foto: DW/Fabian Schmidt).

Bei Katastrophenschutz-Robotern könnten Diamantensensoren zum Beispiel einmal zum Einsatz kommen, um gefährliche Chemikalien aufzuspüren

Sogar bei der Suche nach einer Lösung für die Energiegewinnung durch Kernfusion könnten winzige und hohle Diamantkügelchen aus Freiburg einmal eine entscheidende Rolle spielen. Dabei geht es um die Gewinnung von Energie nach dem Vorbild der Sonne.

US-Forscher versuchen derzeit, winzige Kernfusionen dadurch auszulösen, dass sie Laserblitze auf zwei Millimeter große, mit Wasserstoff gefüllte Kugeln, schießen. Dabei werden die Kugeln auf ein zehntausendstel ihrer ursprünglichen Größe zusammengepresst. Bei dem Vorgang verschmelzen die Wasserstoffkerne und setzen enorme Energiemengen frei. Das funktioniert aber nur, wenn die Kugeln in ihrer Form und Struktur perfekt sind. "Diamant bietet dafür ideale Eigenschaften", sagt Heidrich.

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