Die Wissenschaft hinter im Labor gezüchteten Diamanten: Temperatur, Druck und Kohlenstoff erklärt

Kohlenstoff ist eines der häufigsten Elemente auf der Erde, doch ordnet man seine Atome in einem bestimmten dreidimensionalen Gitter an, erhält man das härteste bekannte natürliche Material. Im Labor gezüchtete Diamanten replizieren exakt dieses Gitter durch zwei industrielle Verfahren: High Pressure High Temperature (HPHT) und Chemical Vapor Deposition (CVD). Beide beginnen mit einer Kohlenstoffquelle und einem Diamant-Impfkristall; beide enden mit einem Stein, der physisch, chemisch und optisch identisch mit einem geschürften Diamanten ist – dasselbe Mineral, gezüchtet durch unterschiedliche physikalische Prozesse. Der Unterschied liegt allein darin, wie die jeweilige Methode die Kohlenstoffatome dazu bringt, die für den Diamanten charakteristische sp³-Tetraederbindung einzugehen.

Im Jahr 2018 strich die FTC das Wort „natürlich“ aus ihrer Definition von Diamanten und erkannte offiziell an, dass es die Kristallstruktur ist, nicht der Ursprung, die einen Diamanten zu einem Diamanten macht. Aufgrund dieses Urteils tragen im Labor gezüchtete Steine auf einem Zertifikat keinen Sternchen-Hinweis.

Was lässt Kohlenstoff zu einem Diamanten werden und nicht zu Graphit?

Die Antwort lautet Bindungsgeometrie. Kohlenstoff besitzt vier Valenzelektronen und kann diese auf verschiedene Weise teilen. In Graphit bindet jedes Kohlenstoffatom an drei Nachbarn in flachen Schichten, die innerhalb einer Schicht stark, zwischen den Schichten jedoch schwach sind – weshalb Graphit in Schuppen zerfällt. Im Diamanten bindet jedes Kohlenstoffatom an vier Nachbarn in einem starren dreidimensionalen Tetraeder: der sp³-Hybridisierung. Jede Bindung zeigt in einem Winkel von 109,5 Grad nach außen und fixiert die Struktur simultan in alle Richtungen.

Diese Geometrie erzeugt einen Brechungsindex von 2,42, eine Mohshärte von 10 und einen Dispersionswert von 0,044 – alles Ergebnisse des Kristallgitters, nicht des Entstehungsortes des Steins. Tatsächlich begünstigt die Thermodynamik unter Oberflächenbedingungen Graphit. Deshalb erfordert die Herstellung eines Diamanten entweder extremen Druck oder eine sorgfältig kontrollierte chemische Umgebung, die die Bildung von Graphit verhindert, während der Diamant Atom für Atom wächst.

Wie nutzt das HPHT-Verfahren Druck und Temperatur zur Züchtung eines Diamanten?

HPHT ist das ältere Verfahren, das Mitte der 1990er Jahre nach Jahrzehnten industrieller Forschung erstmals zur Herstellung von Kristallen in Edelsteinqualität eingesetzt wurde. Bei diesem Prozess wird ein kleiner Diamant-Impfkristall am kühleren Ende einer Wachstumskammer platziert, zusammen mit einer Kohlenstoffquelle (in der Regel hochreiner Graphit) und einem Metall-Lösungsmittel-Katalysator, meist eine Legierung aus Eisen, Nickel und Kobalt. Dieser Katalysator erfüllt eine wichtige Aufgabe: Er senkt die Schwellenwerte, die erforderlich sind, damit Kohlenstoff gelöst und als Diamant umkristallisiert werden kann, wodurch die Reaktion in einer Laborpresse durchführbar wird, ohne dass die Bedingungen des Erdmantels erforderlich sind.

Die Presse übt dann einen Druck von etwa 5 bis 6 Gigapascal aus – das entspricht dem 50.000- bis 60.000-fachen des atmosphärischen Drucks auf Meereshöhe – und erhitzt die Zelle auf 1.300 bis 1.600 °C. Unter diesen Bedingungen löst sich der Graphit im geschmolzenen Metall. Da der Impfkristall eine etwas niedrigere Temperatur aufweist als die Kohlenstoffquelle, bildet sich ein thermischer Gradient in der Zelle. Kohlenstoff wandert durch das flüssige Metall zum kühleren Impfkristall und kristallisiert dort, wobei Schicht für Schicht das gleiche kubische Gitter wie beim darunter liegenden Impfkristall aufgebaut wird.

Eine Folge der Verwendung eines Metallkatalysators ist, dass Spuren von Eisen, Nickel oder Kobalt im wachsenden Kristall eingeschlossen werden können. Diese metallischen Einschlüsse sind mit bloßem Auge meist unsichtbar, unter Vergrößerung jedoch erkennbar und können den Stein leicht magnetisch machen. HPHT-Diamanten neigen zudem dazu, Stickstoff aus der Wachstumsumgebung aufzunehmen, was die Farbe ins Gelbliche verschieben kann, sofern der Stickstoff nicht sorgfältig ausgeschlossen wird.

Wie züchtet CVD einen Diamanten aus Gas bei deutlich geringerem Druck?

CVD basiert auf einem völlig anderen physikalischen Prinzip. Ein Diamant-Impfkristall wird in eine Vakuumkammer gelegt, die mit einem Gasgemisch aus etwa 94 bis 99 Prozent Wasserstoff und 1 bis 6 Prozent Methan (CH₄) gefüllt wird. Eine Mikrowellenquelle oder ein heißer Glühfaden ionisiert das Gas bei Temperaturen zwischen 700 und 1.000 °C zu einem Plasma – deutlich kühler als bei HPHT und bei Drücken, die weit unter einer Atmosphäre liegen, statt Zehntausende Male darüber.

Innerhalb dieses Plasmas dissoziieren die Methanmoleküle. Die kohlenstoffhaltigen Radikale (hauptsächlich CH₃) lagern sich an der Oberfläche des Diamant-Impfkristalls an und beginnen, das Kristallgitter Atomlage für Atomlage zu erweitern. Wasserstoff spielt dabei eine ebenso wichtige Rolle: Atomarer Wasserstoff ätzt kontinuierlich jegliches Graphit oder nicht-diamantenen Kohlenstoff weg, der sich zu bilden versucht, sodass nur die Diamantphase intakt bleibt. Ohne dieses selektive Ätzen wäre die Ablagerung eine ungeordnete Mischung aus Kohlenstoffformen anstelle eines Einkristalls.

Da kein Metallkatalysator involviert ist, vermeiden CVD-Diamanten die metallischen Einschlüsse, die mit HPHT verbunden sind. Sie werden zudem meist als Typ IIa klassifiziert, was bedeutet, dass sie praktisch keinen Stickstoff enthalten – eine Bezeichnung, die in der Natur so selten ist, dass nur eine Handvoll berühmter historischer Steine (wie der Cullinan oder Koh-i-Noor) sie trägt. CVD erreicht diese Reinheit routinemäßig, weshalb das IGI bei den meisten CVD-Zertifikaten „Typ IIa“ im Kommentarbereich vermerkt.

Unterscheiden sich HPHT- und CVD-Diamanten in Qualität oder Aussehen?

Mit dem bloßen Auge betrachtet: nein. Beide Verfahren erzeugen dasselbe sp³-Kohlenstoffgitter, denselben Brechungsindex und dieselbe Härte. Ein Gemmologe kann sie ohne spezielle Ausrüstung nicht voneinander unterscheiden. Die vorhandenen Unterschiede sind eher subtil und struktureller Natur als visuell.

HPHT-Diamanten wachsen gleichzeitig in 14 verschiedenen Richtungen, was einen kuboktaedrischen Rohkristall ergibt. CVD-Diamanten wachsen in einer einzigen Richtung, was zu einer eher plattenartigen Rohform mit gelegentlichen, unter polarisiertem Licht sichtbaren schichtweisen Spannungen führt. HPHT-Steine können durch Stickstoffeinlagerungen einen leichten Gelbstich aufweisen, während CVD-Steine eher zu Farblosigkeit oder – vor einer Nachbehandlung – zu einem schwachen Braun neigen. Beide Methoden können bei sorgfältiger Prozesssteuerung Steine über das gesamte Farb- und Reinheitsspektrum hinweg hervorbringen.

Für den Käufer ist die praktische Erkenntnis, dass keine der beiden Methoden als Kategorie der anderen überlegen ist. Was zählt, sind Schliff, Reinheitsgrad und Zertifizierung, nicht die Wachstumskammer, aus der der Stein stammt.

Vom Kohlenstoff zum Kristall: Die Physik entscheidet alles

Ein Käufer, der sich zwischen HPHT und CVD entscheidet, wählt nicht zwischen zwei verschiedenen Materialien. Beide Verfahren zwingen Kohlenstoffatome in dieselbe sp³-tetraedrische Anordnung. Sobald diese Anordnung fixiert ist, ist das Ergebnis in jeder messbaren Hinsicht ein Diamant: Härte 10, Brechungsindex 2,42 und dasselbe optische Feuer wie bei jedem Stein, der aus der Erde gefördert wurde. HPHT erreicht dies durch rohen Druck (5 bis 6 GPa) und einen Metallkatalysator; CVD nutzt Plasmachemie und selektives Wasserstoffätzen bei einem Bruchteil des Drucks. Die Wachstumskammer ändert sich, der Kristall nicht.

Was bei einzelnen Steinen variiert, ist die Schliffpräzision und der Reinheitsgrad. Ein Zertifikat von einer Institution wie dem IGI enthält diese Details, und die dort angegebene Wachstumsmethode ist eine Beschreibung des Prozesses, kein Ersatz für ein Qualitätsmerkmal. Wenn Sie sehen möchten, wie sich dies in einem fertigen Schmuckstück darstellt, zeigt die Kollektion Lab Grown Ring bei Ouros Jewels IGI-zertifizierte Steine aus beiden Wachstumsmethoden in einer Vielzahl von Fassungen.

Häufig gestellte Fragen

Sind im Labor gezüchtete Diamanten chemisch identisch mit natürlichen Diamanten?

Ja. Sowohl im Labor gezüchtete als auch natürliche Diamanten bestehen vollständig aus Kohlenstoffatomen, die im selben sp³-tetraedrischen Kristallgitter angeordnet sind. Diese Struktur verleiht beiden Arten eine identische Härte (10 auf der Mohs-Skala), denselben Brechungsindex von 2,42 und dieselbe optische Brillanz. Der einzige Unterschied zwischen ihnen ist der Ursprung, nicht die Chemie.

Welche Temperatur wird verwendet, um einen Labordiamanten in einer HPHT-Presse zu züchten?

Das Wachstum von HPHT-Diamanten findet typischerweise zwischen 1.300 und 1.600 °C statt, kombiniert mit Drücken von etwa 5 bis 6 Gigapascal, was dem 50.000- bis 60.000-fachen des Standard-Atmosphärendrucks entspricht. Eine metallische Katalysatorlegierung aus Eisen, Nickel oder Kobalt wird verwendet, um die Kohlenstoffquelle (Graphit) zu lösen und die Rekristallisation auf einem Diamant-Impfkristall zu ermöglichen.

Warum verwendet CVD Wasserstoffgas, wenn der Diamant aus Kohlenstoff besteht?

Atomarer Wasserstoff ist bei CVD unerlässlich, da er selektiv Graphit und andere nicht-diamantene Kohlenstoffablagerungen wegätzt, während sie entstehen, sodass nur die Diamantphase auf dem Impfkristall verbleibt. Ohne ihn würde sich der Kohlenstoff aus dem Methan als ungeordnete Mischung ablagern und nicht als Einkristall-Diamant. Wasserstoff hält die wachsende Oberfläche chemisch rein.

Kann man einen CVD-Diamanten von einem HPHT-Diamanten allein durch Hinsehen unterscheiden?

Nein. Beide sehen mit bloßem Auge identisch aus und teilen dieselben optischen Eigenschaften. Ausgebildete Gemmologen können sie mithilfe von Photolumineszenz-Spektroskopie und DiamondView-Bildgebung unterscheiden, da diese die für das jeweilige Verfahren einzigartigen Wachstumsmuster offenbaren. HPHT-Steine können metallische Einschlüsse zeigen; CVD-Steine können schichtweise Spannungen unter polarisiertem Licht aufweisen.

Was sagt eine IGI-Zertifizierung über die Wachstumsmethode eines im Labor gezüchteten Diamanten aus?

Ein IGI-Zertifikat für einen im Labor gezüchteten Diamanten gibt die Wachstumsmethode (CVD oder HPHT) in den Kommentaren des Berichts an, zusammen mit Farbe, Reinheit, Schliff und Karatgewicht des Steins. Bei CVD-Steinen vermerkt das IGI üblicherweise „Typ IIa“, was einen minimalen Stickstoffgehalt bestätigt. Diese Dokumentation ermöglicht es Käufern, genau zu verifizieren, wie ihr Diamant gezüchtet wurde und welcher atomaren Reinheitsklasse er angehört.