Diamant

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Diamant ist der härteste bekannte Werkstoff. Diamanten im Nanometerbereich werden industriell bei hohen Temperaturen und unter höhen Drücken erzeugt. Diese Nanopartikel werden als Füllmaterial in Kunststoffen und für die Herstellung von Polituren eingesetzt. In Kettenöl vermindern sie angeblich die Reibung. Zudem werden in der industriellen Abwassertechnik Diamantelektroden verwendet, um Wasser zu reinigen.

Wie könnte ich damit in Kontakt kommen?

Nahaufnahme eines funkelnden geschliffenen Diamants, der auf einem dunklen Stein positioniert ist

Diamant © RTimages / Fotolia.com

Diamant-Nanopartikel werden vorwiegend bei der Herstellung industrieller Produkte verarbeitet, so dass Verbraucher selten direkt mit ihnen in Kontakt kommen. In der Medizin erprobt man Diamant-Nanopartikel als Träger für Medikamente; hier werden sie Menschen gezielt verabreicht.

Wie gefährlich ist das Material für Mensch und Umwelt?

Diamant-Nanopartikel werden als ungiftig betrachtet. Die Teilchen gelten als gut verträglich für den menschlichen Körper, so dass sie auch in der Medizin zukünftig Anwendung finden dürften. Eine schädliche Wirkung von eingeatmeten Teilchen in der Lunge wurde nicht beobachtet. Diamanten kommen auf natürliche Weise in der Umwelt vor; bisher wurden dort jedoch keine technisch hergestellten Diamantpartikel im Nanometerbereich nachgewiesen. In Laborexperimenten wurde beobachtet: Diamant-Nanopartikel können von Tieren aufgenommen werden. Sie lösen jedoch keine schädlichen Effekte aus.

Fazit

Im Alltag sind der menschliche Körper und die Umwelt nur geringen Mengen an nanoskaligem Diamant ausgesetzt, und Diamant gilt als ungiftig.

 

Nebenbei
  • Natürlich entstandene Diamanten werden als Edelsteine zu Schmuck verarbeitet
  • Die Oberfläche von Diamant-Nanopartikeln kann mit verschiedenen anderen Substanzen beschichtet werden (z.B. Medikamenten)

Eigenschaften und Anwendung

Darstellung schematische Kristallstruktur von Diamant im Vergleich mit dem groessten geschliffenen von Natur aus grünen Diamant

Kristallstruktur von Diamant (links), © Anke Krueger 2007. Groesster geschliffener, von Natur aus grüner Diamant (rechts). © Wikipedia.de

Diamant ist die kubische Modifikation des Kohlenstoffes und ein natürlich vorkommender Feststoff und anerkanntes Mineral. Seine Kristallstruktur besteht aus einem dreidimensionalen Tetraeder-Gerüst, in dem jedes Kohlenstoffatom in fester (kovalenter) Bindung von vier Nachbarn im gleichen Abstand umgeben ist.

Reine Diamant-Kristalle sind farblos. Durch Fremdatome und Defekte im Kristallgitter entstehen andere Farben wie Braun, Gelb, Grün, Orange, Blau, Rosa, Rot und auch Grau bis Schwarz. Aufgrund seiner hohen Lichtbrechung und seines edlen Glanzes wird er als Edelstein für Schmuck in unterschiedlichen Schliffformen eingesetzt.

Diamant ist der härteste bekannte Werkstoff. Als einziges Mineral erreicht er die Stufe 10 auf der Mohshärte Skala. Die griechische Bezeichnung „Adamas“ bedeutet der „Unbezwingliche“, da er von keinem Stoff geritzt wird aber alle anderen bekannten Stoffe ritzen kann. Seine Schleifhärte ist 140-mal größer als die von Korund. Deshalb wird er industriell als Bohr-, Schneid- und Schleifwerkzeug, sowie als Zusatzstoff in Polierpasten eingesetzt.

Nano-Diamant hat einen Durchmesser von wenigen bis einigen hundert Nanometern, insbesondere werden häufig Partikel mit Durchmessern von unter 50 nm verwendet. Er ist zu unterscheiden von ultra-nanokristallinem Diamant, den nanokristallinen Diamantfilmen mit Einzelkristalliten im Bereich weniger Nanomater. Nano-Diamanten spielen vor allem als Kunststofffüller und für die Erzeugung von Polituren für höchste Ansprüche eine Rolle. In Kettenöl sollen sie angeblich die Reibung vermindern.

In der industriellen Wasser-/Abwassertechnik werden zudem Diamantelektroden eingesetzt um Wasser zu behandeln und zu reinigen (Oxidation und Desinfektion von Abwasser und Prozesswasser). Für die meisten industriellen Anwendungen ist Nano-Diamant aufgrund des geringeren Rohstoffeinsatzes bei gleichbleibendem Effekt interressant und wird aktuell beforscht.

Die Härte ist abhängig von der Kristallausrichtung im Diamant (Anisotropie). Dadurch ist es möglich, Diamant mit Diamant zu schleifen. Weiterhin von Bedeutung sind sein hoher Elastizitätsmodul, seine hohe Wärmeleitfähigkeit und sein hoher elektrischer Widerstand. Zusätze wie Bor, Phosphor oder Stickstoff machen den Diamant leitfähig, wodurch er als Halbleiter oder Supraleiter auftritt. Durch seine gute Wärmeleitfähigkeit (1000-2500 W/m*K) wird er in thermisch hoch belastete elektronische Bauelemente eingebracht und dient dort zur Wärmeableitung. Nach den CVD-Verfahren hergestellte Diamantschichten dienen vorzugsweise dem Verschleißschutz von Werkzeugen.

Diamant ist als nanometergroßes Pulver nicht selbstentzündlich. Auch als fein verteilte Mischung mit Luft (Staub) unter Einwirkung einer Zündquelle ist Diamant nicht entzündlich, also besteht keine Möglichkeit einer Staubexplosion.

 

Vorkommen und Herstellung

Kleine Ansammlung von gelb-gold farbenen Industriediamanten in der Mitte einer menschlichen Hand

Industriediamanten © Fotoschlick / fotolia.com

Natürlicher Diamant entsteht unter hohem Druck (100-150 kbar) und Temperaturen (1200°C-1500°C), wie sie im Erdmantel in etwa 150 km Tiefe auftreten. Welche Ausgangsstoffe zur Diamantbildung führen, ist bis heute noch unklar. Es wird prinzipiell von einer Reduktion des CO2 ausgegangen. Die Kristallisation von Diamant erfolgt nur sehr langsam. Geht die Abkühlung schnell von statten, wird die Umwandlung in Graphit unterdrückt. Durch Vulkanausbrüche und Lava gelangte der Diamant an die Erdoberfläche. Die Hauptfördergebiete befinden sich in Russland, Afrika und Südafrika, sowie in Australien und Kanada. Es wird weiterhin vermutet, dass Diamant-Nanopartikel im Weltall vorkommen. Terrestrischer Nano-Diamant konnte bisher aber nicht nachgewiesen werden.

Die Herstellung synthetischer Diamanten gelang dem Physiker Erik Lundblad erstmals 1953. Heute werden sie für industrielle Anwendung durch Hochtemperatur-Hochdruck Verfahren hergestellt. Die Umwandlung von Kohlenstoff in Diamant erfolgt bei 1200-1400°C und unter einem Druck von 5-7 GPa, wobei Metalle als Lösemittel und Katalysator ausgenutzt werden. In den 1960er Jahren wurde von sowjetischen Forschern erstmals gezeigt, dass Diamant auch aus der Gasphase bei Atmosphärendruck abgeschieden werden kann. Heute wird das Verfahren im industriellen Maßstab zur Abscheidung von mehrere Mikrometer dicken Verschleißschutzschichten genutzt. Auch zentimetergroße Kristalle, die als optische Fenster z.B. in Messgeräten genutzt werden, lassen sich so erzeugen. Nanoskalige Diamanten werden mit Hilfe von Schockwellen oder Detonationssverfahren gewonnen, bei denen für eine kurze Zeit hohe Temperaturen und Drücke entstehen.


Literatur

  1. Krueger, Anke (2008). Neue Kohlenstoffmaterialien: Nanodiamant, Vieweg+Teubner Verlag, S.331-388, ISBN 978-3-519-00510-0.
  2. Roempp Online (DE): Diamanten (Stand letzter Zugang: Dez 2017).
  3. Mineralienatlas.de:Diamant(Stand letzter Zugang: Dez 2017).
  4. Wikipedia (DE):Diamant (Stand letzter Zugang: Dez 2017).

Diamant-Nanopartikel werden als chemisch inert und biokompatibel betrachtet. Die Partikel gelten als gut verträglich.

 

Allgemeine Gefährdung

Epidemiologische Daten zu Diamant-Nanopartikeln sind nicht vorhanden.

 

Untersuchungen am lebenden Organismus - in vivo

Diamant-Partikel ohne und mit Oberflächenmodifikationen. © Chow et al., 2011.

Diamant-Partikel ohne und mit Oberflächenmodifikationen. © Chow et al., 2011.

Eine Studie mit Mäusen zeigte, dass 50 nm Nanodiamant Partikel (ND) aus dem Blut in Leber, Milz, Niere und Lunge gelangten und dort auch nach 28 Tagen noch nachweisbar waren. Ca. 60 % der verabreichten Partikel reicherten sich in der Leber an. Es wurde keine Exkretion der Partikel beobachtet, was weitere Studien hinsichtlich des Langzeitverhaltens im Körper erfordert [2].

In einer weiteren Studie an Mäusen wurde Nanodiamant als Träger für Chemotherapeutika eingesetzt. Dabei konnte gezeigt werden, dass sowohl die Nebenwirkungen der Chemotherapie reduziert und das Tumorwachstum verlangsamt werden konnten [3]. Obwohl von ähnlicher Größe (ca. 50 nm), wurden die in dieser Studie verwendeten Nanodiamanten innerhalb von Tagen wieder aus dem Körper der Mäuse ausgeschieden.

Literatur

  1. Ho, DA (2009), ACS Nano, 3(12): 3825-3829.
  2. Yuan, Y et al. (2010), Diam Relat Mater, 19(4): 291-299.
  3. Chow, EK et al. (2011), Sci Transl Med, 3(73): 73ra21.

 

Untersuchungen außerhalb des Organismus - in vitro

Im Rahmen des BMBF geförderten Verbundprojekts INOS wurden Diamant-Nanopartikel in den humanen Zelllinien A549 (Lunge) und HaCaT (Haut) untersucht. Diese in vitro Tests zeigten keine zytotoxische Wirkung der Diamant-Nanopartikel bei eingesetzten Konzentrationen bis 20 µg/ml über 24 Stunden und 3 Tage [2]. Außerdem wurde die Wirkung auf Zellen des Gehirns untersucht. Auch hier führte eine Behandlung mit Diamant-Nanopartikeln zu keinen toxischen Effekten [2]. Eine weitere Studie an A549-Zellen zeigte ebenfalls keine zytotoxische Wirkung von 5 nm und 100 nm-Diamant-Partikeln, obwohl sehr hohe Dosen eingesetzt wurden [3].

Literatur

  1. Fan, J et al. (2010), Small, 6(19): 2080-2098.
  2. INOS Forschungsberichte (siehe Veröffentlichungen des Projekts INOS)
  3. Chao, JI et al. (2007), Biophys J, 93(6): 2199-2208.

Zurzeit sind keine Studien bekannt, die sich mit der Umweltexposition durch Diamant-Nanopartikel beschäftigen.

Nach der Aufnahme von Nanodiamant-Suspensionen in die Lungen von Mäusen wurden keine schädlichen Effekte beobachtet. Zurzeit sind keine Studien bekannt, die sich mit der Aufnahme von Diamant-Nanopartikeln über die Haut oder den Magen-Darm Trakt befassen.

 

Aufnahme über die Lunge - Inhalation

Es konnte eine Entfernung der Nanodiamant Partikel aus der Lunge durch die Makrophage beobachtet werden. Insgesamt wird von einer geringen Toxizität für die Lunge ausgegangen [1].

Literatur

  1. Yuan, Y et al. (2010), Diam Relat Mater, 19(4): 291-299.

Zur Aufnahme und zum Risiko von Diamant-Nanopartikel für Umweltorganismen gibt es bislang nur wenige Studien. Dabei ist das Auftreten von toxischen Effekten stark von der Art der Oberflächenmodifikationen des Nanodiamants abhängig. Es gibt derzeit keine Studie zu Langzeiteffekten von Diamant-Nanopartikeln.

 

Frosch Icon (c) DaNa TeamEine Studie untersuchte den Einfluss verschiedener Oberflächenmodifikationen auf die Embryonalentwicklung von Fröschen. Dabei wurden Froschembryonen den Partikeln ausgesetzt und die Entwicklung im Vergleich zu unbehandelten Embryonen verfolgt. Sowohl die Überlebensrate als auch die Ausbildung von embryonalen Fehlbildungen war dabei stark von der Art der Oberflächenmodifizierung abhängig. Das Spektrum reichte von gänzlich untoxisch (Hydroxylgruppen an der Oberfläche) bis stark toxisch (Carboxylgruppen an der Oberfläche). Für eine praktische Anwendung der Partikel könnte somit eine untoxische Variante ausgewählt werden [1].

Wurm IconDer Fadenwurm C. Elegans, welcher sich normalerweise von Bakterien ernährt, nimmt Diamant-Nanopartikel auf und reichert sie im Darm an. Ein Übergang von unmodifizierten Partikeln aus dem Darm in Körpergewebe findet nicht statt, hingegen sind Dextran- und Albumin-beschichtete Partikel in der Lage die Darmschleimhaut zu passieren [2]. Trotz dieser Unterschiede in der Aufnahme ist keiner der verwendeten Partikel toxisch für die Fadenwürmer. Sowohl Lebensdauer, Anzahl der Nachkommen, ROS Level und Stressantwort unterscheiden sich nicht von unbehandelten Kontrollwürmern.

Kaefer IconIn Wasserflöhen hingegen beeinflusste Nanodiamant die Fortpflanzung und Überlebensrate. Zunächst wurde mikroskopisch festgestellt, dass die Partikel am Außenskelett der Tiere anhaften und sich auch im Darm anreichern. Letzteres kann zu einer verminderten Aufnahme von Nährstoffen führen, was wiederum zu einer erhöhten Sterblichkeit (ab 12,5 mg/l) und einer verringerten Fortpflanzungsrate (ab 1,3 mg/l) beitragen kann [3]. Eine Aufnahme der Partikel aus dem Darm in die Körperzellen wurde nicht beobachtet.


Literatur

  1. Marcon, L et al. (2010), J Mater Chem, 20(37): 8064-8069.
  2. Mohan, N et al. (2010), Nano Lett, 10(9): 3692-3699.
  3. Mendonca, E et al. (2011), J Hazard Mater, 186(1): 265-271.

Das Aufnahmeverhalten von Diamant-Nanopartikeln wurde in verschiedenen menschlichen Zelllinien untersucht.

 

Verhalten an der Blut-Hirn-Schranke

Zurzeit sind keine Studien bekannt, die sich mit dem Übertritt von Diamant-Nanopartikeln über die Blut-Hirn-Schranke befassen.

 

Aufnahmeverhalten in Zellen

Übereinstimmend konnte eine Aufnahme der Partikel in die Zellen mittels Elektronenmikroskopie bestätigt werden, wobei verschiedene Partikelgrößen getestet wurden [1,2]. Dabei erfolgt die Aufnahme der Partikel aktiv durch Endozytose (siehe Artikel "Grundlagen - Wie verhalten sich innovative Materialien bzw. Nanomaterialien im Körper und in der Umwelt?"). Die Partikel reichern sich in bestimmten Zellorganellen, vermutlich den Lysosomen, an [3].

Nanodiamanten haben die Eigenschaft stark zu fluoreszieren und sind deshalb in vielen Studien als zellgängige „Farbstoffe“ eingesetzt worden [3,4,5,6,7,8]. Generell werden Nanodiamanten schnell, d.h. innerhalb von Minuten, von lebenden Zellen aufgenommen [8,9].

Literatur

  1. INOS Forschungsberichte (siehe Veröffentlichungen des Projekts INOS)
  2. Busch, W et al. (2011), J Nanopart Res, 13(1): 293-310.
  3. Faklaris, O et al. (2009), ACS Nano, 3(12): 3955-3962.
  4. Cheng, CY et al. (2007), Appl Phys Lett, 90(16): 163903.
  5. Fu, CC et al. (2007), PNAS, 104(3): 727-732.
  6. Ho, DA (2009), ACS Nano, 3(12): 3825-3829.
  7. Takimoto, T et al. (2010), Chem Mater, 22(11): 3462-3471.
  8. Neugart, F et al. (2007), Nano Lett, 7(12): 3588-3591.

Zurzeit sind keine Studien bekannt, die sich mit dem Umweltverhalten von Diamant-Nanopartikeln befassen.

Weitere Materialien


Cerdioxid
Titandioxid
Cellulose
Titannitrid
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