Diamant, som grafit, är en speciell form av kol. Dess kubiska kristallstruktur och dess starka kemiska bindningar ger den dess unika hårdhet. I tusentals år, den har också varit eftertraktad som både ett verktyg och som en sak av skönhet. Först på 1950-talet blev det för första gången möjligt att tillverka diamanter på konstgjord väg.

De flesta naturliga diamanter bildas i jordens mantel på djup av minst 150 kilometer, där temperaturer över 1500 grader Celsius och enormt höga tryck på flera gigapascal råder – mer än 10 000 gånger högre än ett väluppblåst cykeldäck. Det finns olika teorier för de exakta mekanismer som är ansvariga för deras bildande. Utgångsmaterialet är karbonatrika smältor, dvs föreningar av magnesium, kalcium eller kisel som är rika på både syre och kol.

En ny väg för bildandet av diamanter

Eftersom elektrokemiska processer äger rum i jordens mantel och de smältor och vätskor som finns där kan ha en hög elektrisk ledningsförmåga, forskare under ledning av Yuri Palyanov från V. S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB vid Ryska vetenskapsakademin Novosibirsk utvecklade en modell för bildandet av diamanter där starkt lokaliserade elektriska fält spelar en central roll. Enligt detta koncept, applicering av mindre än ens en volt – en spänning lägre än den som tillhandahålls av de flesta hushållsbatterier – ger elektroner som utlöser en kemisk omvandlingsprocess. Dessa tillgängliga elektroner gör det möjligt för vissa kol-syreföreningar i karbonaterna att bli CO ₂ genom en rad kemiska reaktioner, leder i slutändan till rent kol i form av diamant.

För att testa deras teori, det ryska forskarteamet utvecklade en sofistikerad experimentanläggning:En millimeterstor platinakapsel omgavs av ett värmesystem som i sin tur placerades i en högtrycksapparat som behövdes för att producera enorma tryck på upp till 7,5 gigapascal. Mycket liten, noggrant konstruerade elektroder ledde in i kapseln, som hade fyllts med karbonat eller karbonat-silikatpulver. Många experiment kördes vid temperaturer mellan 1300 och 1600°C, varav några varade så länge som 40 timmar.

Diamanter växer bara med spänning

Experimenten som utfördes i Novosibirsk visade, som förutspått, att små diamanter växer i närheten av den negativa elektroden under loppet av flera timmar, men detta skedde endast när en liten spänning applicerades; en halv volt räckte redan. Med en diameter som når maximalt 200 mikrometer, dvs en femtedel av en millimeter, de nyskapade kristallerna var mindre än ett typiskt sandkorn. Vidare, som förväntat, det andra mineralet med rena kolhaltiga grafit visade sig bildas i experiment utförda vid lägre tryck. Ytterligare bevis på den nya mekanismen kom när forskaren vände om spänningspolariteten - diamanter växte sedan på den andra elektroden, precis som förväntat. Utan att någon spänning tillfördes från utsidan av kapseln bildades varken grafit eller diamanter. I närheten av diamanterna, andra mineraler som är förknippade med jordens djupa mantel hittades också.

"Experimentanläggningarna i Novosibirsk är helt imponerande, " säger Michael Wiedenbeck, chef för SIMS-laboratoriet vid GFZ, som är en del av Potsdams Modular Earth Science Infrastructure (MESI). Han har samarbetat med de ryska forskarna i mer än tio år; han tillsammans med SIMS laboratorieingenjör Frédéric Couffignal, analyserade diamanter producerade av deras ryska kollegor. För att avgöra om Yuri Palyanovs teori om diamantbildning är helt korrekt, diamanternas isotopsammansättning måste karakteriseras mycket exakt.

Precisionsanalys "made in Potsdam"

Potsdam-forskarna använde sekundär jonmasspektrometri (SIMS) för detta ändamål. Potsdaminstrumentet är en mycket specialiserad masspektrometer, förse geovetare från hela världen med högprecisionsdata från extremt små prover. "Med denna teknik kan vi bestämma sammansättningen av små ytor på sub-millimeterprover med stor precision, säger Wiedenbeck. Alltså, mindre än en miljarddels gram från en laboratorietillverkad diamant behövde avlägsnas med en mycket exakt riktad jonstråle. Elektriskt laddade atomer injicerades sedan i en sex meter lång apparat som separerade varje miljarder partiklar baserat på deras individuella massa. Denna teknik gör det möjligt att separera kemiska grundämnen, och i synnerhet är det möjligt att särskilja deras lättare eller tyngre varianter kända som isotoper. "På detta sätt har vi visat att förhållandet mellan kolisotoperna 13C till 12C beter sig exakt enligt den modell som utvecklats av våra kollegor i Novosibirsk. Med detta, vi har bidragit till den sista pusselbiten, så att säga, för att bekräfta denna teori, säger Wiedenbeck. Det måste noteras att denna nya metod inte är lämplig för massproduktion av stora konstgjorda diamanter.

"Våra resultat visar tydligt att elektriska fält bör betraktas som en viktig ytterligare faktor som påverkar kristalliseringen av diamanter. Denna observation kan visa sig vara ganska betydelsefull för att förstå förändringar av kolisotopförhållandena inom den globala kolcykeln, " Sammanfattar Yuri Polyanov.