Dennis L.
Unter extremem Druck und hohen Temperaturen ist es gelungen, Lonsdaleit in Form größerer, nahezu reiner Kristalle zu erzeugen. Jahrzehntelang war unklar, ob dieses Meteoritenmaterial überhaupt als eigenständiger hexagonaler Diamant existiert oder nur eine Fehlordnung im bekannten Diamantgitter darstellt. Nun erlauben hochauflösende Beugungs- und Spektroskopiemethoden, Struktur und mechanische Eigenschaften genauer zu vermessen. Welche Vickershärte wirklich erreicht wird und wie stabil das Material bei Temperaturen bis weit über 1.000 Kelvin bleibt, ist entscheidend für mögliche Anwendungen vom Präzisionsschneiden bis zur Elektronik.
Die Suche nach immer härteren und temperaturstabileren Festkörpern ist ein zentrales Thema der modernen Materialwissenschaft. Klassische Diamanten verdanken ihre außergewöhnliche Härte einem dreidimensionalen Netzwerk aus sp³-hybridisierten Kohlenstoffatomen, die in einer kubischen Gitterstruktur angeordnet sind. Dennoch stoßen selbst diese Kristalle bei extremen Belastungen, etwa in Tiefbohrköpfen oder bei der Bearbeitung superharter Legierungen, an Grenzen. Gleichzeitig arbeiten Forscher an neuen Kohlenstoffstrukturen, die nicht als Schmuck, sondern als Werkstoffe für Hochleistungsschneidwerkzeuge, verschleißfeste Lager oder hitzebeständige Substrate für Leistungselektronik dienen sollen. In diesem Kontext rückt ein bislang vor allem aus Meteoriten bekanntes Kohlenstoffallotrop in den Fokus, das in den vergangenen Jahrzehnten für kontroverse Diskussionen sorgte.
Dieses Material wird Lonsdaleit genannt und häufig als hexagonaler Diamant bezeichnet. Es wurde in den 1960er-Jahren erstmals in Bruchstücken des Canyon-Diablo-Meteoriten beschrieben, der vor rund 50.000 Jahren in Arizona einschlug und unter extremen Stoßdrücken Graphit in eine diamantähnliche Struktur umwandelte. Frühere Analysen legten nahe, dass die hexagonale Variante theoretisch bis zu etwa 58 Prozent härter als gewöhnlicher Diamant sein könnte, sofern perfekte Kristalle ohne Gitterfehler vorliegen. Spätere Hochauflösungsstudien argumentierten jedoch, dass viele Proben lediglich aus kubischen Diamanten mit Stapelfehlern und Zwillingsdomänen bestehen, sodass Lonsdaleit eher als Stacking-Variante denn als sauber getrennte Phase auftritt. Parallel entwickelten Arbeitsgruppen dynamische Schockexperimente und statische Hochdruckversuche, um das Meteoritenmaterial gezielt zu erzeugen und seine mechanischen Eigenschaften mit Methoden wie der Vickershärte präzise zu bestimmen.
Lonsdaleit ist aus chemischer Sicht reiner Kohlenstoff, unterscheidet sich aber in der Kristallstruktur deutlich von konventionellen Diamanten. Während der klassische Diamant eine flächenzentriert-kubische Symmetrie mit einer ABC-ABC-Stapelung der Kohlenstofflagen besitzt, kristallisiert Lonsdaleit in einem hexagonalen Gitter mit der Raumgruppe P6₃/mmc und einer AB-AB-Stapelung. Die Gitterparameter liegen bei etwa a = 2,51 Å und c = 4,12 Å, wobei jede Kohlenstoffposition weiterhin von vier Nachbarn in tetraedrischer Anordnung umgeben ist. Auf atomarer Ebene verändern sich jedoch die relativen Orientierungen der Bindungen: In kubischem Diamant sind die Bindungen zwischen den Schichten gestaffelt, während sie in Lonsdaleit teilweise in einer eclipsed Konfiguration vorliegen. Dieser subtil erscheinende Unterschied führt zu anisotropen elastischen Konstanten und beeinflusst, wie sich Risse und plastische Verformungen durch den Kristall ausbreiten.
Um die Besonderheiten des hexagonalen Diamanten greifbarer zu machen, vergleichen Forscher die beiden Strukturen häufig systematisch:
Theoretische Arbeiten auf Basis der Dichtefunktionaltheorie hatten früh darauf hingewiesen, dass ein idealer hexagonaler Diamant entlang bestimmter Kristallrichtungen eine extrem hohe Härte und Bruchzähigkeit erreichen könnte. Lange blieb aber unklar, ob sich diese idealisierten Modelle wirklich auf realistische Proben übertragen lassen, in denen Defekte, Zwillingsgrenzen und eingeschlossene kubische Domänen nahezu unvermeidbar sind. Für die Hochdruckforschung ist genau diese Frage entscheidend, weil sich nur aus robusten Messwerten ableiten lässt, ob Lonsdaleit als Superdiamant für anspruchsvolle industrielle Anwendungen in Frage kommt.
Historisch stammt ein großer Teil des Wissens über Lonsdaleit aus Meteoritenproben. Im Canyon-Diablo-Material und in weiteren Eisenmeteoriten wurden mikroskopisch kleine Kristalle gefunden, deren Beugungsdaten zunächst als Hinweis auf ein eigenständiges hexagonales Diamantgitter interpretiert wurden. Mit der zunehmenden Auflösung von Transmissionselektronenmikroskopen und der systematischen Analyse von Stapelfehlern in Diamanten verdichteten sich jedoch Hinweise, dass viele dieser Proben eher als sogenannter stapelfehlgeordneter Diamant zu beschreiben sind. Eine vielzitierte Arbeit zeigte, dass sich die meisten Merkmale der vermeintlichen Lonsdaleit-Proben durch ein Gemisch aus hexagonalen und kubischen Stapelsequenzen erklären lassen, ohne dass eine makroskopisch reine hexagonale Phase vorliegen muss. Gleichzeitig dokumentierten Schockexperimente mit Graphit eine sehr schnelle, nanosekundenschnelle Bildung von Lonsdaleit unter Drücken im Bereich von deutlich über 100 Gigapascal, was zumindest lokal eine hexagonale Ordnung bestätigt.
Parallel dazu entstanden erste synthetische Proben aus Glas-Kohlenstoff, die unter statischem Hochdruck in Diamantstempelzellen zu einer transparenten, nanokristallinen hexagonalen Phase umgewandelt wurden. Hier ließ sich anhand der dominierenden ABAB-Stapelung zeigen, dass sich unter geeigneten Bedingungen ein überwiegend hexagonaler Diamant ausbilden kann, der als Lonsdaleit im engeren Sinn gelten darf. Dennoch blieb die Probenmenge gering und die Kristalle waren meist nur wenige Mikrometer groß, was systematische Härtemessungen erschwerte. Neuere Arbeiten zur Vickershärte von nano- und mikrokristallinem Lonsdaleit ergaben Werte, die im Bereich hochwertiger Diamanten liegen, aber nicht eindeutig darüber. Diese Ergebnisse relativierten die Erwartung eines in allen Fällen deutlich härteren Superdiamanten und rückten die Rolle von Defekten, Kristallorientierung und Prüfgeometrie in den Vordergrund. Gleichzeitig entstanden weitere Kohlenstoffstrukturen wie der rein theoretisch vorgeschlagene Pentadiamant, über den bereits berichtet wurde, etwa im Zusammenhang mit einem besonders leichten, aber extrem druckfesten Diamant aus Computersimulationen.
Einen Wendepunkt markiert eine jüngere Hochdruckstudie, in der es gelang, Lonsdaleit als nahezu reinen hexagonalen Diamanten im hundert Mikrometer bis Millimeter großen Maßstab zu synthetisieren. Ausgangspunkt waren hochreine Graphit-Einkristalle, die in einer Diamantstempelzelle schrittweise auf Drücke im zweistelligen Gigapascalbereich und Temperaturen von weit über 1.000 Grad Celsius gebracht wurden. Unter sorgfältig quasi-hydrostatisch eingestellten Bedingungen bildete sich eine neue Phase, deren Röntgenbeugungsmuster, Elektronenmikroskopie und Raman-Spektren konsistent mit einem hexagonalen Diamantgitter waren. Die resultierenden Kristalle wiesen vollständig sp³-hybridisierte Bindungen auf, sodass Graphitreste und amorpher Kohlenstoff weitgehend ausgeschlossen werden konnten. In der zugehörigen Veröffentlichung in Nature-Studie wird hervorgehoben, dass es sich um die erste makroskopische Darstellung dieser Phase handelt, die präzise mechanische und elektronische Messungen erlaubt.
Um die Härte des Materials quantifizierbar zu machen, kamen standardisierte Nanoindentations- und Vickers-Tests zum Einsatz. Die Forscher ermittelten Vickershärte-Werte im Bereich von etwa 150 bis 160 Gigapascal für bestimmte Kristallorientierungen, was in etwa 40 Prozent über typischen Werten hochwertiger kubischer Diamanten liegt, die oft bei ungefähr 110 Gigapascal liegen. Zugleich zeigte sich eine ausgeprägte Anisotropie: Je nach Prüfrichtung fällt der Unterschied zu klassischem Diamant geringer aus, und bei submikrometergroßen Körnern können Defekte die Vickershärte wieder auf Diamantniveau drücken. Ergänzend zu den mechanischen Messungen untersuchte das Team die thermische Stabilität und fand, dass der hexagonale Diamant seine Struktur bis Temperaturen von etwa 1.100 Grad Celsius in inerten Atmosphären beibehält, was ihn für Hochtemperaturanwendungen interessant macht. In der Hochdruckforschung dienen solche Experimente auch dazu, Modelle zur Phasenumwandlung von Graphit zu Diamant zu testen und zu verfeinern.
Die neuen Ergebnisse lassen sich nur im Kontext vorheriger Daten einordnen, die teils deutlich niedrigere, teils vergleichbare Härten für Lonsdaleit gemessen hatten. Während idealisierte Simulationen weiterhin nahelegen, dass ein fehlerfreier hexagonaler Diamant entlang bestimmter Kristallrichtungen eine außergewöhnlich hohe Scher- und Druckfestigkeit erreichen kann, zeigen reale Proben ein komplexeres Bild. Entscheidend sind Korngröße, Stapelfehler, Zwillingsdomänen und die genaue Kristallorientierung gegenüber der Prüfkante des Eindringkörpers. Die jetzt verfügbaren, größeren Kristalle ermöglichen es, die Richtung der Belastung besser zu kontrollieren und die tatsächliche Vickershärte für definierte Ebenen zu bestimmen. Parallel dazu bleibt die Frage, wie sich Lonsdaleit im Vergleich zu anderen Supermaterialien wie nanotwin-verstärkten Diamanten oder theoretisch vorgeschlagenen Strukturen jenseits des klassischen Diamantgitters verhält, die unter anderem im Zusammenhang mit Pentadiamant und verwandten Kohlenstoffallotropen diskutiert werden.
Für Anwendungen rücken vor allem Bereiche in den Blick, in denen heute bereits Diamantwerkzeuge eingesetzt werden und höhere Leistungsreserven gefragt sind. Dazu zählen Hochgeschwindigkeitsfräsen superharter Legierungen, Bohrungen in Gesteinen mit abrasiven Einschlüssen oder extrem belastete Lagerflächen. In Zukunft könnten Verbundwerkstoffe entstehen, in denen Lonsdaleit als hartes Korn in einer Matrix aus konventionellem Diamant oder Keramik eingebettet ist und so Verschleiß und Rissfortpflanzung reduziert. Denkbar sind auch Substrate für Leistungselektronik, bei denen eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Stabilität bei Temperaturen jenseits von 1.000 Kelvin gefordert sind. Konzepte wie ein selbstheilender synthetischer Diamant, über den bereits berichtet wurde, etwa als neuartiger Werkstoff mit nanoskaligen Zwillingskristallen, zeigen, wie vielfältig das Spektrum der Kohlenstoffallotrope geworden ist und wie sich mechanische Robustheit zusätzlich erhöhen lässt. Offene Fragen betreffen die Skalierbarkeit der Synthese, die Langzeitstabilität unter zyklischer mechanischer Belastung und die ökonomische Konkurrenzfähigkeit gegenüber etablierten Diamanttechnologien.
Parallel zur Forschung an Lonsdaleit arbeiten Gruppen weltweit an weiteren exotischen Formen von Diamant und diamantähnlichen Materialien. So wurde etwa ein theoretischer Superdiamant aus Computersimulationen vorgeschlagen, dessen Struktur als Pentadiamant bezeichnet wird und der eine besonders hohe Druck- und Scherfestigkeit bei vergleichsweise geringer Dichte aufweisen soll. Eine Analyse auf Diamant aus Computersimulation zeigt, wie stark die Vielfalt denkbarer Kohlenstoffgitter inzwischen gewachsen ist. Zugleich werden klassische Diamanten gezielt modifiziert, um Defektstrukturen für Quantensensorik, Quanteninformation oder selbstheilende Nanostrukturen zu nutzen, wie ein neuer synthetischer Diamant mit selbstheilenden Eigenschaften demonstriert. Vor diesem Hintergrund erscheint Lonsdaleit weniger als singulärer Wunderdelstoff, sondern eher als wichtiger Baustein in einer ganzen Familie von Superdiamanten, deren kombinierte Nutzung zukünftige Diamanttechnologien prägen könnte. Die Einordnung der hexagonalen Phase in den breiteren Kontext der Diamanten hilft dabei, realistische Erwartungen an ihre Leistungsfähigkeit zu formulieren und gezielt nach Nischenanwendungen zu suchen, in denen ihre spezifischen Stärken zum Tragen kommen.
Nature, Synthesis of bulk hexagonal diamond; doi:10.1038/s41586-025-09343-x
Scientific Reports, Nanocrystalline hexagonal diamond formed from glassy carbon; doi:10.1038/srep37232
