mini|300px|alt=sechs nicht facettierte Diamanten mit ca. 2–3 mm Größe|Labordiamanten in verschiedenen Farben, hergestellt durch das HPHT-Verfahren
Labordiamanten (LGD, auch im Labor gezüchtete, im Labor geschaffene, menschengemachte, künstliche, synthetische, lab-grown, oder Kulturdiamanten genannt) sind Diamanten, die in einem kontrollierten technischen Prozess hergestellt werden (im Gegensatz zu natürlich entstandenen Diamanten, welche in einem geologischen Prozess geschaffen und bergmännisch gefördert werden). Im Gegensatz zu Diamantimitaten (Imitationen von Diamanten aus oberflächlich ähnlichen Nicht-Diamant-Materialien) bestehen Labordiamanten ebenso wie natürlich entstandene Diamanten aus reinem Kohlenstoff, der in einer isotropen 3D-Form kristallisiert ist und haben identische chemische und physikalische Eigenschaften.
Zwischen 1879 und 1928 wurden zahlreiche angebliche Diamantsynthesen gemeldet; die meisten dieser Versuche wurden sorgfältig analysiert, aber keiner konnte bestätigt werden. In den 1940er-Jahren begannen in den USA, Schweden und der Sowjetunion systematische Forschungen zur Herstellung von Diamanten, die 1953 in der ersten reproduzierbaren Synthese gipfelten. Weitere Forschungsarbeiten führten zur Entdeckung der Herstellung von HPHT-Diamant und CVD-Diamant, benannt nach ihrer Herstellungsmethode (High-Pressure-High-Temperature bzw. Chemical Vapor Deposition, zu deutsch chemische Gasphasenabscheidung). Diese beiden Verfahren dominieren nach wie vor die Labordiamantherstellung. Ein drittes Verfahren, bei dem Diamantkörner im Nanometerbereich durch die Detonation von kohlenstoffhaltigem Sprengstoff erzeugt werden, die so genannte Detonationssynthese, kam Ende der 1990er-Jahre auf den Markt. Eine vierte Methode, die Behandlung von Graphit mit Hochleistungs-Ultraschall, wurde im Labor demonstriert, wird aber derzeit nicht kommerziell angewendet.
Die Eigenschaften von künstlich hergestellten Diamanten hängen vom Herstellungsverfahren ab. Die meisten lab-grown-Diamanten sind in ihren Eigenschaften wie Härte, Wärmeleitfähigkeit und Elektronenbeweglichkeit den natürlich entstandenen Diamanten ebenbürtig oder sogar überlegen. Labordiamanten werden häufig als Schleifmittel, in Schneid- und Polierwerkzeugen und in Kühlkörpern verwendet. Elektronische Nutzungsweisen von lab-grown-Diamanten werden derzeit entwickelt, darunter Hochleistungsschalter in Kraftwerken, Hochfrequenz-Feldeffekttransistoren und Leuchtdioden. Detektoren aus lab-grown Diamant für ultraviolettes (UV) Licht oder hochenergetische Teilchen werden in Hochenergieforschungseinrichtungen eingesetzt und sind im Handel erhältlich. Aufgrund ihrer einzigartigen Kombination aus thermischer und chemischer Stabilität, geringer Wärmeausdehnung und hoher optischer Transparenz in einem breiten Spektralbereich entwickeln sich Labordiamanten zum beliebtesten Material für optische Fenster in Hochleistungslasern (Kohlendioxidlaser) und Gyrotronen. Es wird geschätzt, dass 98 % des Bedarfs an Diamanten in Industriequalität mit synthetisch hergestellten Diamanten gedeckt wird. Inzwischen sind die Herstellungsverfahren im Labor so ausgereift, dass Diamanten in extrem hoher Qualität hergestellt werden können. Daher werden Labordiamanten auch immer häufiger in der Schmuckindustrie verwendet.Shigley, James. "Laboratory-Grown Diamonds." static1.squarespace.com Zuletzt aufgerufen: 21. Februar 2023.
Sowohl CVD- als auch HPHT-Diamanten können zu Edelsteinen geschliffen werden, und es können verschiedene Farben hergestellt werden: farbloses Weiß, Gelb, Braun, Blau, Grün und Orange. Das Aufkommen synthetischer Edelsteine auf dem Markt löste im Diamantenhandel große Besorgnis aus, so dass spezielle spektroskopische Geräte und Techniken entwickelt wurden, um künstliche von natürlichen Diamanten zu unterscheiden.
Geschichte mini|Moissan versucht, Labordiamanten mit Hilfe eines Lichtbogenofens herzustellen
Nach der Entdeckung im Jahr 1797 durch Smithson Tennant, dass ein Diamant aus reinem Kohlenstoff besteht,Spear and Dismukes, S. 309 wurden zahlreiche Versuche unternommen, verschiedene billige Formen von Kohlenstoff in Diamant umzuwandeln.Spear and Dismukes, S. 23, 512–513 Die ersten Erfolge wurden 1879 von James Ballantyne Hannay und 1893 von Ferdinand Frédéric Henri Moissan gemeldet. Bei ihrer Methode wurde Holzkohle mit Eisen in einem Kohlenstofftiegel in einem Ofen auf bis zu 3.500 °C erhitzt. Während Hannay ein flammenbeheiztes Rohr verwendete, setzte Moissan seinen neu entwickelten Lichtbogenofen ein, in dem ein elektrischer Lichtbogen zwischen Kohlestäben in Kalkblöcken erzeugt wurde. Das geschmolzene Eisen wurde dann durch Eintauchen in Wasser schnell abgekühlt. Die durch die Abkühlung hervorgerufene Kontraktion sollte den hohen Druck erzeugen, der für die Umwandlung von Graphit in Diamant erforderlich war. Moissan veröffentlichte seine Arbeit in einer Reihe von Artikeln in den 1890er Jahren.
Viele andere Wissenschaftler versuchten, seine Experimente zu replizieren. William Crookes meldete 1909 einen Erfolg. Otto Ruff behauptete 1917, Diamanten mit einem Durchmesser von bis zu 7 mm hergestellt zu haben, zog seine Aussage jedoch später zurück. 1926 replizierte J. Willard Hershey vom McPherson College die Experimente von Moissan und Ruff, und stellte einen synthetischen Diamanten her; dieses Exemplar ist im McPherson Museum in Kansas zu sehen. Trotz der gemeldeten Erfolge von Moissan, Ruff, und Hershey, waren andere Experimentatoren nicht in der Lage, ihre Synthesen zu reproduzieren.O'Donoghue, S. 473
Die eindeutigsten Reproduktionsversuche wurden von Charles Algernon Parsons unternommen. Der prominente Wissenschaftler und Ingenieur verbrachte rund 40 Jahre (1882–1922) sowie einen beträchtlichen Teil seines Vermögens damit, die Experimente von Moissan und Hannay zu reproduzieren, wobei er auch eigene Verfahren anwandte. Parsons war bekannt für seine akribische Genauigkeit und seine methodischen Aufzeichnungen; alle von ihm gewonnenen Proben wurden für weitere Analysen durch eine unabhängige Partei aufbewahrt.Barnard, S. 6–7 Er schrieb eine Reihe von Artikeln – einige der ersten über HPHT-Diamanten – in denen er behauptete, kleine Diamanten hergestellt zu haben. Im Jahr 1928 beauftragte er jedoch C. H. Desch mit der Veröffentlichung eines Artikels, in dem er seine Überzeugung zum Ausdruck brachte, dass bis zu diesem Zeitpunkt keine synthetische Diamanten (einschließlich derjenigen von Moissan und anderen) hergestellt worden waren. Er vermutete, dass es sich bei den meisten vermeintlichen Diamanten, die bis dahin hergestellt worden waren, um synthetische Spinelle handelte.
ASEA mini|Erste synthetische Diamanten von ASEA 1953 Die erste bekannte (aber zunächst nicht gemeldete) Diamantensynthese wurde am 16. Februar 1953 in Stockholm von der ASEA (Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget), Schwedens größtem Elektrogerätehersteller, geschaffen. Ab 1942 beschäftigte ASEA ein Team von fünf Wissenschaftlern und Ingenieuren als Teil eines streng geheimen Projekts zur Herstellung von Diamanten mit dem Codenamen QUINTUS. Das Team verwendete einen sperrigen Hochdruckapparat des Split-Sphere-Typs (BARS), der von Baltzar von Platen und Anders Kämpe entworfen wurde. In der Vorrichtung wurde der Druck bei geschätzt 8,4 GPa (84.000 bar) und einer Temperatur von 2.400 °C eine Stunde lang aufrechterhalten. Es wurden einige kleine Diamanten hergestellt, die jedoch weder Edelsteinqualität noch -größe hatten.
Aufgrund von Fragen zum Patentverfahren und der begründeten Annahme, dass es weltweit keine anderen ernsthaften Forschungsarbeiten zur Diamantsynthese gab, entschied sich der Vorstand der ASEA gegen eine Veröffentlichung und Patentanmeldung. So erfolgte die Bekanntgabe der ASEA Ergebnisse kurz nach der GE-Pressekonferenz vom 15. Februar 1955.
GE-Diamant-Projekt mini|links|alt=A 3-meter tall press|Eine in den 1980er Jahren von KOBELCO hergestellte Bandpresse
Im Jahr 1941 wurde eine Vereinbarung zwischen den Unternehmen General Electric (GE) und dem Unternehmen Ford, Norton und Carborundum getroffen, um die Diamantherstellung weiterzuentwickeln. Es gelang ihnen, Kohlenstoff unter einem Druck von 3,5 GPa (35.000 bar) für einige Sekunden auf etwa 3.000 °C zu erhitzen. Bald darauf unterbrach der Zweite Weltkrieg das Projekt. Es wurde 1951 in den Laboren von GE in Schenectady wieder aufgenommen und es wurde eine Hochdruck-Diamant-Gruppe mit Francis P. Bundy und H. M. Strong gebildet. Tracy Hall und andere schlossen sich dem Projekt später an.
Die Gruppe aus Schenectady verbesserte die von Percy Bridgman entworfenen Diamantstempelzellen, welcher für seine Arbeit 1946 den Nobelpreis für Physik erhielt. Bundy und Strong nahmen die ersten Verbesserungen vor, weitere erfolgten durch Hall. Das GE-Team benutzte Wolframcarbid-Stempel in einer hydraulischen Presse, um die in einem Katlinitbehälter befindliche kohlenstoffhaltige Probe zu pressen, wobei das fertige Material aus dem Behälter in eine Dichtung gepresst wurde. Das Team konnte in einem Fall eine Diamantsynthese aufzeichnen, aber das Experiment konnte wegen unsicherer Synthesebedingungen nicht reproduziert werdenO'Donoghue, S. 474 und später stellte sich heraus, dass der Diamant, der als Diamantkeim verwendet wurde, ein natürlicher Diamant war.
Hall gelang am 16. Dezember 1954 die erste erfolgreiche Synthese eines Diamanten, was am 15. Februar 1955 bekannt gegeben wurde. Der Durchbruch gelang ihm mit einer „Band“-Presse, die in der Lage war, Drücke über 10 GPa und Temperaturen über 2.000 °C zu erzeugen. Die Presse verwendete einen Pyrophyllit-Behälter, in dem Graphit in geschmolzenem Nickel, Cobalt oder Eisen aufgelöst wurde. Diese Metalle wirkten als „Lösungsmittel-Katalysator“, der sowohl den Kohlenstoff auflöste als auch seine Umwandlung in Diamant beschleunigte. Der größte Diamant, den er herstellte, hatte einen Durchmesser von 0,15 mm; er war zu klein und optisch unvollkommen für Schmuck, aber brauchbar für industrielle Schleifmittel. Halls Mitarbeiter waren in der Lage, seine Arbeit zu reproduzieren, und die Entdeckung wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Er war der Erste, der einen Labordiamanten mit einem reproduzierbaren, überprüfbaren und gut dokumentierten Verfahren herstellte. Er verließ GE im Jahr 1955 und entwickelte drei Jahre später eine neue Vorrichtung für die synthetische Diamantherstellung – eine tetraedrische Presse mit vier Stempeln – um eine Geheimhaltungsverfügung des US-Handelsministeriums zu den GE-Patentanmeldungen nicht zu verletzen.Barnard, S. 40–43
Weitere Entwicklung mini|alt=A diamond scalpel consisting of a yellow diamond blade attached to a pen-shaped holder|Ein Skalpell mit einkristallinem synthetisch hergestelltem Diamantblatt Synthetische Diamantkristalle in Edelsteinqualität wurden erstmals 1970 von GE produziert, worüber 1971 berichtet wurde. Bei den ersten Erfolgen wurde eine Pyrophyllitröhre verwendet, die an beiden Enden mit dünnen Diamantstücken bestückt war. Das Graphitmaterial wurde in der Mitte platziert und das metallische Lösungsmittel (Nickel) zwischen dem Graphit und den Keimen. Der Behälter wurde erhitzt und der Druck wurde auf etwa 5,5 GPa erhöht. Die Kristalle wachsen, während sie von der Mitte zu den Enden der Röhre fließen, und je länger der Prozess dauert, desto größere Kristalle entstehen. Anfänglich wurden in einem einwöchigen Wachstumsprozess Diamanten in Edelsteinqualität von etwa 5 mm (1 Karat oder 0,2 g) erzeugt, und die Prozessbedingungen mussten so stabil wie möglich sein. Die Graphiteinlage wurde bald durch Diamantkorn ersetzt, da sich so die Form des endgültigen Kristalls viel besser kontrollieren ließ.O'Donoghue, S. 320