Als die Forscher*innen erstmals Nanodiamanten mittels Laserkompression erzeugten, ging es zunächst um Planetenphysik. Sie beschossen Kunststoff mit Hochleistungslasern, erhitzten und verdichteten das Material, um die extremen Bedingungen im Innern von Planeten wie Neptun oder Uranus nachzustellen. Dort herrschen Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius und ein millionenfach höherer Druck als in der Erdatmosphäre – ideale Bedingungen, um Kohlenstoff in Diamanten zu verwandeln.
Aus der Planetenphysik in die Anwendung
„Dass unter diesen Bedingungen Nanodiamanten entstehen, hatten wir erwartet. Überrascht hat uns jedoch, wie schnell sie sich bilden. Daraus kam sofort die Idee einer möglichen technischen Anwendung auf“, sagt Dominik Kraus, Gründungsdirektor am neuen HEDI – Institut für Hochenergiedichtephysik des HZDR sowie Professor an der Universität Rostock. Damals konnten die Wissenschaftler*innen die Diamanten allerdings nur kurz unter den extremen Bedingungen nachweisen. Ob sie den Übergang zu Normaldruck und -temperatur überstehen, blieb unklar. Dieser Nachweis gelang jetzt.
Die Experimente fanden an den Beamlines der Extreme Light Infrastructure (ELI) südlich von Prag statt, einer einzigartigen Laseranlage mit hoher Repetitionsrate bei sehr hohen Energien. Der Hochleistungslaser an der dortigen L4n-P3 Infrastruktur feuert dreimal pro Minute Lichtblitze auf eine 100 Mikrometer dünne PET-Folie, die durch den Strahl gerastert wird. In der Schockwelle entstehen Nanodiamanten. Sie werden wie Geschosse aus der Folie herausgeschleudert und in einem Zylinder mit einer Catcher-Substanz aufgefangen.
Produktion per Laserschock
Die Herausforderung beschreibt Kraus so: „Wenn die Kompressionswelle das Ende der Probe erreicht, geht es schlagartig ins Vakuum. Dabei beschleunigt sie die Nanodiamanten auf Geschwindigkeiten von mehr als zehn Kilometer pro Sekunde, das ist vergleichbar mit einem Meteoriteneinschlag. Damit die Diamanten beim Auftreffen im Auffangzylinder nicht sofort zerstört werden, muss man ein sehr weiches Material verwenden.“ Die Wahl fiel auf ein vakuumgeeignetes, wasserlösliches ionisches Gel als Auffangmedium.
Pro Schuss landen rund 10 Billionen fast gleich große, nanometerkleine Diamanten im Zylinder. Das klingt viel, liefert aber nur wenig Masse. Mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 3 Milliardsteln Metern besteht ein einzelner Nanodiamant aus etwa 3000 Kohlenstoffatomen. Um die 100 Schüsse waren nötig, um einige hundert Mikrogramm Material zu gewinnen: genug, um die Diamanten mit dem Elektronenmikroskop ELMI-MV des Departments Leben, Licht und Materie an der Universität Rostock nachzuweisen und zu charakterisieren. „Nachdem wir die Nanodiamanten aus der Catcher-Substanz gelöst und gereinigt hatten, konnten wir sie mit ELMI-MV erstmals direkt sehen – ein besonderer Moment, auf den wir Jahre hingearbeitet hatten. Mit diesem Gerät können wir sogar einzelne Atome auflösen“, sagt Ben Heuser vom HZDR, der als Erstautor der Studie die Experimente als Teil seiner Doktorarbeit an der Universität Rostock durchgeführt hat.
Optimiertes Verfahren für Forschung und Industrie
Mit den durch die Fusionsforschung getriebenen Entwicklungen zu energieeffizienten Hochenergielasern mit hoher Repetitionsrate dürfte das Verfahren zur Herstellung von Nanodiamanten tatsächlich skalierbar sein: Je mehr Schüsse bei hoher Energie in kurzer Zeit möglich sind, desto besser die Ausbeute. In weiteren Experimenten in eigenen Laboren an der Universität Rostock und an Großforschungsanlagen wollen die Forscher*innen die Produktionsmenge erhöhen und in den Milligramm-Bereich vordringen. Diese Menge wäre vergleichbar zu herkömmlichen Produktionsverfahren.
Der wesentliche Vorteil der Laserkompression liegt in kleineren, sauberen und kontrolliert herstellbaren Nanodiamanten. Schon heute werden solche Nanodiamanten in Schleif- und Poliermitteln verwendet. Künftig sollen sie als hochempfindliche Quantensensoren, medizinische Kontrastmittel und effiziente Reaktionsbeschleuniger dienen, etwa bei der Spaltung von CO2 durch Sonnenlicht. Kleine Diamanten bieten dabei verschiedene Vorteile, wie eine effizientere Katalyse durch eine insgesamt größere Oberfläche. Bei der Herstellung aus Plastik lassen sie sich leicht mit Fremdatomen dotieren und so für verschiedene Zwecke anpassen. Dadurch könnten etwa Kontrastmittel für medizinische MRT-Untersuchungen verbessert werden.
Über die Nanodiamanten hinaus wollen die Wissenschaftler*innen das Verfahren nutzen, um ein exotisches Material zu erzeugen: BC8, eine bislang nur theoretisch vorhergesagte Kohlenstoffform: dichter als Diamant, ähnlich hart, aber weniger spröde. Auf der Erde kann BC8 nicht natürlich entstehen, da die nötigen Bedingungen fehlen. Mithilfe von Hochleistungslasern und noch höherem Druck wollen die Forscher*innen dieses Material nun ähnlich wie die Nanodiamanten direkt aus Plastik herstellen. Ein erstes Experiment ist für November geplant.
Publikation:
B. Heuser, P. Böhringer, K. Oldenburg, F.P. Condamine, G. Fauvel, M.-L. Herbert, J. Kuhkle, T. Laštovička, P. Luckmann, J. Lütgert, P.T. May, D. Ranjan, S. Schumacher, R. L. Singh, M. Stevenson, S. Weber, D. Kraus, Recovery of ultrasmall nanodiamonds from plastics shock-compressed to pressures around 100 GPa, in Diamond and Related Materials (2026) (DOI: 10.1016/j.diamond.2026.114091)
Weitere Informationen:
Prof. Dominik Kraus
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