Ein Diamantring und ein Bleistift wirken wie Gegensätze, bis man die Romantik und den gelben Lack einmal beiseitelässt. Der Stein im Ring und der dunkle Strich des Bleistifts bestehen beide aus Kohlenstoff. Der Unterschied liegt in der Architektur: dieselben Atome, nur in unterschiedlichen Anordnungen gefangen.
Diamanten streben langsam in Richtung Graphit, weil Graphit bei normaler Temperatur und normalem Druck die energieärmere Form von Kohlenstoff ist. Die Umwandlung ist real, aber unter Alltagsbedingungen so langsam, dass ein Diamant Millionen bis Milliarden Jahre überdauern kann.
In einem Diamanten ist jedes Kohlenstoffatom mit vier benachbarten Kohlenstoffatomen in einem dicht gepackten dreidimensionalen Gitter verbunden. In Graphit bindet jedes Kohlenstoffatom stark an drei Nachbarn in flachen Schichten, während diese Schichten nur locker aneinanderhaften.[1] Diese Schichtstruktur ist der Grund, warum Graphit auf Papier verschmiert. Ein Bleistiftstrich besteht aus Kohlenstoff, der sich in winzigen Schichten ablöst.
Unter gewöhnlichen Bedingungen ist Graphit die stabilere Anordnung. Dr. Christopher S. Baird, Physiker an der West Texas A&M University, erklärt, dass Diamanten zu Graphit zerfallen, weil Graphit unter typischen Bedingungen eine energieärmere Konfiguration ist.[1] Es muss kein äußerer chemischer Stoff den Stein angreifen. Die Kohlenstoffatome müssten sich im Inneren neu anordnen, dabei einige Bindungen aufbrechen und andere bilden.
Die Wand zwischen Funkeln und Graphit
Ein Diamant fällt nicht einfach beiläufig zu Graphit zusammen, weil seine Atome hinter einer großen Energiebarriere feststecken. Baird vergleicht die Situation damit, in einer flachen Mulde neben einer tieferen Mulde zu stehen, mit einer Wand dazwischen. Die tiefere Mulde ist der stabilere Ort, aber man kommt nur dorthin, wenn man zunächst genug Energie aufbringt, um über die Wand zu klettern.[1]
Chemiker nennen Diamant metastabil. Er ist bei normaler Temperatur und normalem Druck nicht die energieärmste Form von Kohlenstoff, kann aber dennoch außergewöhnlich lange in seiner aktuellen Struktur gefangen bleiben.[1] Die Thermodynamik bevorzugt Graphit. Die Kinetik, also der Teil der Chemie, der sich damit befasst, wie schnell Veränderungen ablaufen, verhindert, dass sich der Diamant in menschlichen Zeitmaßstäben sichtbar verändert.
Bei angenehmen Raumtemperaturen, fern von intensivem Ionenbeschuss und extremer Hitze, ist die Umwandlung von Diamant zu Graphit so langsam, dass sie praktisch nicht stattfindet.[1] Baird schreibt, dass ein Diamant, der unter normalen menschlichen Bedingungen an einem Finger getragen wird, Millionen bis Milliarden Jahre halten kann. Damit ist „Diamanten sind für die Ewigkeit“ im Alltag eine sehr gute Annäherung.[1]
Manche Schätzungen dehnen diesen Zeitraum sogar noch weiter aus. Bei Raumtemperatur wurde beschrieben, dass ein Kubikzentimeter Diamant enorm viel länger als das Alter des Universums brauchen würde, um sich vollständig in Graphit umzuwandeln; bei sehr hohen Temperaturen kann der Prozess dagegen deutlich bemerkbarer werden.[3] Wer darauf wartet, dass ein Ehering zu Bleistiftgraphit wird, setzt auf eine Wette, die kein Menschenleben einlösen kann.
Wie man einen Diamanten beschleunigt
Wärme gibt Kohlenstoffatomen Energie. Baird weist darauf hin, dass das Erhitzen von Diamant oder der Beschuss mit Ionen den Atomen genug Energie geben kann, um die Barriere zu überwinden und sich in Richtung Graphit umzuordnen.[1] Auch eine andere Art der Zerstörung ist möglich. In Sauerstoff können Diamanten bei hohen Temperaturen zu Kohlendioxid verbrennen, statt zu Graphit zu werden.[2]
Druck drängt Kohlenstoff in die andere Richtung. Diamanten werden bei hohem Druck begünstigt, was mit erklärt, warum sie tief im Erdinneren entstehen und nicht auf einem Schreibtisch.[2] Viele natürliche Diamanten in Schmuckqualität sind uralt und werden häufig auf etwa 1 bis 3,3 Milliarden Jahre datiert.[2] Sie überdauern, weil die Diamantstruktur, sobald Kohlenstoff sie einmal angenommen hat, außerordentlich schwer wieder rückgängig zu machen ist.
Der alte Slogan ist physikalisch falsch und praktisch nützlich. Diamanten sind im strengen Sinne nicht ewig. Sie sind Kohlenstoff, gefangen in einer brillanten, eigensinnigen Anordnung, die sich fast unmerklich der mattgrauen Stabilität von Graphit entgegenneigt. Am Finger glänzt der Stein weiter. Doch auf der Ebene, auf der Materie nach ihrem energieärmsten Zuhause sucht, hat der Bleistift die ganze Zeit schon gewartet.
