- Forscher wandeln Kunststoff in Nanodiamanten um und fangen Kristalle erfolgreich ein.
- Nanodiamanten können unter extremen Bedingungen überleben und sicher in eine normale Umgebung zurückkehren.
- Kleinere Nanodiamanten könnten die Anwendungen in der Medizin und Materialwissenschaft erweitern.
- Die Forscher planen Experimente unter höheren Druckbedingungen zur Herstellung von BC8-Kohlenstoff.
Die deutschen Forscher haben mit leistungsstarken Lasern gewöhnlichen Kunststoff in winzige Diamanten umgewandelt und dabei vollständige Kristalle erfolgreich eingefangen. Das Team vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Universität Rostock zeigt, dass diese Nanodiamanten extremen Druck- und Temperaturbedingungen standhalten können und sicher in eine normale Umgebung zurückkehren. Jedes zurückgewonnene Partikel hat im Durchschnitt eine Größe von 3 Nanometern, also dreißig Milliardstel Meter, und enthält etwa 3.000 Kohlenstoffatome. Diese Lasermethode ermöglicht die Herstellung von Produkten mit hoher Reinheit, kleiner Größe und eng abgestimmter Partikelgröße, was mit traditionellen Produktionsmethoden (einschließlich Explosionen) nicht erreicht werden kann.
Simulation extremer Umweltbedingungen
Der Beginn dieser Arbeit bestand darin, die Bedingungen im Inneren von Neptun und Uranus zu simulieren, wo Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius und Drücke von Millionen Mal dem atmosphärischen Druck der Erde herrschen. Der Laserstrahl auf den Kunststoff erzeugte die Bedingungen für die Kohlenstoffbildung zu Diamanten, obwohl das Team zunächst nur kurzzeitig diese Kristalle nachweisen konnte. Dominik Kraus vom neuen Institut für Hochenergie-Dichte-Physik am HZDR erklärte, dass das Team mit der Bildung von Nanodiamanten rechnete, aber die Geschwindigkeit ihrer Entstehung sie überraschte.
Das Team hat diese Diamanten in der Extreme Light Infrastructure (ELI) südlich von Prag zurückgewonnen, einer Lasereinrichtung, die sehr hohe Pulsenergien mit hoher Wiederholrate kombiniert. An ihrem L4n-P3-Standort feuert der Laser dreimal pro Minute auf eine 0,004 Zoll (100 Mikrometer) dicke PET-Folie. Jeder Puls sendet eine Druckwelle durch die Folie, die den Kunststoff komprimiert, Nanodiamanten bildet und sie in einen Sammelzylinder herausdrückt. Bei den Rückgewinnungsexperimenten wurde der Kunststoff auf einen Druck von etwa 100 Gigapascal komprimiert, was etwa 14,5 Millionen Pfund pro Quadratzoll entspricht.
Wenn die Druckwelle aus dem Probenmaterial in das Vakuum eindringt, erreicht sie Geschwindigkeiten von über 22.000 Meilen pro Stunde (10 Kilometer pro Sekunde), was einem Meteoriteneinschlag entspricht. Um ihre Integrität zu bewahren, ist ein sehr weiches Medium erforderlich, weshalb das Team ein wasserlösliches Ionengel verwendet, das im Vakuum effektiv ist. Jeder Laserschuss erzeugt etwa 10 Billionen Diamanten, aber um einige Hundert Mikrogramm Proben zu sammeln, sind etwa 100 Schüsse erforderlich. Dies reicht aus, um die Partikel mit dem ELMI-MV-Elektronenmikroskop der Universität Rostock zu charakterisieren, das in der Lage ist, einzelne Atome aufzulösen.
Ben Heuser, der Hauptautor am HZDR, erklärte, dass der Moment, in dem sie die gereinigten Diamanten direkt sahen, „ein besonderer Moment war, auf den wir jahrelang hingearbeitet haben“.
Anwendungsperspektiven von Nanodiamanten
Nanodiamanten sind hart, stabil und hitzebeständig und werden bereits in Schleif- und Poliermitteln eingesetzt. Kleinere, reinere und gleichmäßigere Partikel könnten ihre Anwendungen in der Medizin, Materialwissenschaft und Energie erweitern, einschließlich quantenmechanischer Sensoren und Kontrastmittel für Scans. Kleinere Diamanten bieten bei gleichem Materialvolumen eine größere Gesamtoberfläche, was ihre katalytische Effizienz in Prozessen wie der Sonnenlicht-basierten Zersetzung von Kohlendioxid erhöhen könnte. Der Beginn mit Kunststoff erleichtert auch das Dotieren von Diamanten mit anderen Elementen, was maßgeschneiderte Lösungen für Aufgaben wie die Verbesserung von MRI-Kontrastmitteln ermöglicht.
Das nächste Ziel ist BC8-Kohlenstoff. Hochenergetische Laser aus der Fusionsforschung können häufiger starke Pulse abgeben, was den Prozess skalierbar macht. Die Forscher streben an, den Milligrammbereich zu erreichen, was mit der traditionellen Produktion vergleichbar ist. Das Team hofft auch, BC8 durch Laserkompression herzustellen, eine Kohlenstoffform, die bisher nur theoretisch vorhergesagt wurde. Es wird erwartet, dass ihre Dichte höher ist als die von Diamanten, ebenso hart und weniger spröde. Die Bedingungen, die zur Bildung von BC8 erforderlich sind, existieren auf der Erde nicht, weshalb die Forscher planen, im November die ersten Experimente unter höheren Druckbedingungen durchzuführen.
Artikel Spezifikation Durchschnittliche Größe der Nanodiamanten 3 Nanometer Anzahl der Kohlenstoffatome ca. 3.000 Stück Dicke der Kunststofffolie 0,004 Zoll (100 Mikrometer) Kompressionsdruck ca. 100 Gigapascal Geschwindigkeit der Diamanten über 22.000 Meilen pro Stunde (10 Kilometer pro Sekunde)
Das Potenzial der Lasertechnologie zur Umwandlung von Kunststoff
Diese Forschung zeigt das Potenzial der Lasertechnologie in der Materialwissenschaft, insbesondere bei der Umwandlung von Abfallkunststoffen in wertvolle Nanodiamanten. Nanodiamanten verfügen nicht nur über hervorragende physikalische Eigenschaften, sondern können auch in verschiedenen Bereichen wie Medizin und Energie eingesetzt werden. Mit fortschreitender Technologie könnten in Zukunft effizientere Produktionsmethoden entstehen, die positive Auswirkungen auf den Umweltschutz und das Recycling von Ressourcen haben. Das nächste Ziel des Forschungsteams besteht darin, dichtere Kohlenstoffformen zu erkunden, was die Anwendungen und Entwicklungen von Nanomaterialien weiter vorantreiben wird.