Zehn Billionen Diamanten pro Laserschuss: Neue Chancen für Sensoren und Quantentechnologie
Deutsche Forscher haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich aus einer dünnen Kunststofffolie innerhalb weniger Nanosekunden Milliarden winziger Diamanten herstellen lassen. Besonders interessant sind die Ergebnisse für die Elektronik, hochpräzise Sensoren und die Quantentechnologie. Der wissenschaftliche Fortschritt ist beachtlich – auch wenn die industrielle Nutzung noch einige Herausforderungen mit sich bringt.
Diamanten aus einer Kunststofffolie
Ein Forschungsteam der Universität Rostock und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat an der europäischen Forschungsanlage ELI Beamlines in Tschechien rund zehn Billionen Nanodiamanten mit einem einzigen Laserimpuls erzeugt.
Dafür verwendeten die Wissenschaftler eine nur 100 Mikrometer dünne Kunststofffolie aus PET. Ein hochenergetischer Laserimpuls erzeugte für wenige Nanosekunden einen Druck von rund 100 Gigapascal und Temperaturen von mehreren Tausend Kelvin. Unter diesen extremen Bedingungen ordnen sich Kohlenstoffatome zu winzigen Diamantkristallen an.
Die entstandenen Nanodiamanten besitzen einen mittleren Durchmesser von lediglich drei Nanometern. Das entspricht etwa einem Dreißigtausendstel der Dicke eines menschlichen Haares.
Die eigentliche Innovation liegt jedoch nicht allein in der Herstellung. Den Forschern gelang es, die winzigen Kristalle mit einem speziellen Auffangverfahren zurückzugewinnen und anschließend zu untersuchen. Dabei zeigte sich eine vergleichsweise gleichmäßige Größenverteilung – eine Eigenschaft, die für technische Anwendungen besonders interessant sein könnte.
Neue Möglichkeiten für die Elektronik
Nanodiamanten sind weit mehr als winzige Schmuckdiamanten. Ihre außergewöhnlichen Materialeigenschaften machen sie zu interessanten Kandidaten für verschiedene Zukunftstechnologien.
Besonders vielversprechend ist die Entwicklung hochpräziser Sensoren. In Diamantkristallen können sogenannte Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, kurz NV-Zentren, entstehen. Diese speziellen Defekte reagieren empfindlich auf Magnetfelder und Temperaturveränderungen.
Geeignete Diamanten lassen sich dadurch als winzige Messinstrumente einsetzen. Sie können beispielsweise magnetische Eigenschaften von Materialien untersuchen oder kleinste Temperaturunterschiede erfassen.
Für die Halbleiterindustrie eröffnet das Möglichkeiten, elektronische Bauteile genauer zu analysieren. Auch in der medizinischen Forschung werden Nanodiamanten als potenzielle Sensoren untersucht, etwa für Messungen innerhalb biologischer Zellen.
Allerdings verfügen nicht alle Nanodiamanten automatisch über die benötigten Defektzentren. Ob sich die im Laserexperiment erzeugten Partikel für solche Anwendungen eignen, muss noch untersucht werden.
Quantenspeicher und neue Computertechnologien
Ein weiteres Forschungsgebiet ist die Quantentechnologie. Bestimmte Defekte im Diamantgitter können Quantenzustände aufnehmen, beeinflussen und für begrenzte Zeit speichern.
Solche Eigenschaften sind für die Entwicklung von Quantencomputern und Quantennetzwerken interessant. Dabei geht es nicht darum, herkömmliche SSD-Festplatten oder Arbeitsspeicher durch Nanodiamanten zu ersetzen.
Vielmehr könnten geeignete Diamantstrukturen künftig als Bausteine für Quantenspeicher, Quantensensoren und Systeme zur Quantenkommunikation dienen.
Die besonders kleinen Partikel aus dem neuen Laserexperiment könnten dabei neue Forschungsansätze ermöglichen. Gleichzeitig stellt ihre geringe Größe hohe Anforderungen an die Kontrolle der empfindlichen Quantenzustände.
Ein wachsender Markt mit unterschiedlichen Preisen
Nanodiamanten werden bereits industriell hergestellt. Das verbreitete Detonationsverfahren nutzt extreme Druck- und Temperaturbedingungen, die bei kontrollierten Explosionen entstehen. Anschließend müssen die Partikel gereinigt und aufbereitet werden.
Die Preise unterscheiden sich erheblich. Industrielle Standardprodukte sind teilweise für wenige Dollar pro Gramm erhältlich. Hochreine, speziell behandelte Nanodiamanten für wissenschaftliche Anwendungen können dagegen mehrere Hundert Dollar pro Gramm kosten.
Marktforschungsunternehmen erwarten für Nanodiamanten ein weiteres Wachstum. Die Schätzungen zur Marktgröße unterscheiden sich allerdings deutlich, weil verschiedene Produktqualitäten und Anwendungen berücksichtigt werden.
Neben Schleifmitteln und Beschichtungen gewinnen vor allem hochwertige Spezialmaterialien für Elektronik, Sensorik und Forschung an Bedeutung.
Gerade in diesem Bereich könnte das neue Laserverfahren interessant werden. Entscheidend wäre, ob es Partikel mit besonders gleichmäßigen und gezielt einstellbaren Eigenschaften liefern kann.
Energieverbrauch und Produktionskosten
Ein bemerkenswerter Aspekt des Experiments ist die geringe Energie des eigentlichen Laserimpulses. Mit rund 25 Joule entspricht die abgegebene Lichtenergie nur etwa 0,007 Wattstunden.
Der gesamte Stromverbrauch liegt allerdings deutlich höher, weil der Hochleistungslaser sowie Kühl- und Versorgungssysteme betrieben werden müssen.
Auch die Materialausbeute ist bislang gering. Nach ungefähr 100 Laserimpulsen konnten die Forscher einige Hundert Mikrogramm Material zurückgewinnen.
Für eine wirtschaftliche Produktion müssten deshalb die Ausbeute und die Zahl der Laserimpulse pro Zeiteinheit deutlich steigen.
Ob das Verfahren gegenüber bestehenden Herstellungsverfahren günstiger oder energieeffizienter sein kann, lässt sich derzeit nicht beurteilen. Entsprechende Vergleichsdaten liegen noch nicht vor.
Wissenschaftlicher Fortschritt mit industriellem Potenzial
Die Ergebnisse zeigen, dass sich extrem kleine Diamantkristalle unter kontrollierten Bedingungen herstellen und anschließend zurückgewinnen lassen.
Besonders die Kombination aus geringer Partikelgröße, vergleichsweise gleichmäßiger Größenverteilung und gezielter Untersuchung macht das Verfahren für die Materialwissenschaft interessant.
Eine industrielle Revolution ist damit noch nicht erreicht. Doch die Forschung eröffnet einen zusätzlichen Herstellungsweg für Nanodiamanten, deren Eigenschaften für zukünftige Technologien von Bedeutung sein könnten.
Das größte Potenzial liegt nicht in der Massenproduktion günstiger Diamantpartikel, sondern in hochwertigen Spezialmaterialien für präzise Sensoren, elektronische Bauteile und Quantentechnologien.
Ob sich diese Möglichkeiten wirtschaftlich nutzen lassen, werden weitere Experimente zeigen.
Wissenschaftliche Quelle: Heuser et al. (2026), Recovery of ultrasmall nanodiamonds from plastics shock-compressed to pressures around 100 GPa, Diamond and Related Materials. Originalstudie.
