Stuttgarter Physiker entdecken Überraschung in Meteoritenresten - Diamanten aus dem All

Diamanten lieben es extrem: Für die Entstehung des Kohlenstoffgitters, das ihnen ihre ungewöhnlichen Eigenschaften verleiht, sind sehr hohe Temperaturen und Drücke erforderlich. Auf der Erde findet man diese Bedingungen nur tief im Erdinneren, ergiebige Fundstätten sind daher selten. Im Weltraum dagegen trifft man die zur Bildung von Diamanten geeigneten Extrembedingungen häufig an. Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben nun Diamanten untersucht, die unter interstellaren Bedingungen gebildet wurden – und fanden dort zu ihrer Überraschung Nanodiamanten, die nur etwa 500 Kohlenstoffatome umfassen. Das macht die Edelsteine für die medizinische Forschung besonders interessant.[1]

In Zusammenarbeit mit einem russischen Wissenschaftlerteam untersuchten Dr. Sang-Yun Lee und Torsten Rendler vom 3. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart (Leitung Prof. Jörg Wrachtrup) Überreste von Meteoriten, die in Sibirien gefunden wurden. „Es war bekannt, dass die Meteoriten Diamanten enthalten. Allerdings waren wir von deren Größe und physikalischen Eigenschaften überrascht“, erklärten die Stuttgarter Physiker. Während nämlich für die meisten Menschen große Diamanten interessant sind, suchen die Wissenschaftler nach besonders kleinen Steinen. So haben Studien gezeigt, dass Nanodiamanten die Wirksamkeit von bestimmten Medikamenten, die beispielsweise in der Tumortherapie eingesetzt werden, signifikant steigern. Zudem enthalten Diamant-Partikel oft auch atomare Verunreinigungen, die zu einer charakteristischen Verfärbung wie grün, violett oder gelb führen und deswegen auch Farbzentren genannt werden. Nanoskopische Diamant-Partikel, die derartige Farbzentren enthalten, werden in der diagnostischen Medizin zur gezielten Markierung von Zellen oder Biomolekülen verwendet. Einige Farbzentren sind sogar in der Lage, kleinste magnetische Felder in ihrer direkten Umgebung zu detektieren, was in Zukunft auch das direkte Auflösen biologischer Strukturen auf atomarer Ebene ermöglichen soll.

Je kleiner, desto spannender

Dabei gilt allgemein der Grundsatz: Je kleiner der Nano-Diamant, desto interessanter sind sie für die Wissenschaftler. Allerdings sind besonders kleine Nanodiamanten auch besonders schwer herzustellen. „Bisher haben wir kleine Diamanten durch Zermahlen großer Steine hergestellt. Das Verfahren ist aufgrund der bekannten Härte von Diamant sehr aufwendig, und selbst die kleinsten Diamanten, die wir herstellen konnten, waren für medizinische Anwendungen immer noch zu groß“, erklärt Torsten Rendler. Damit die Diamanten von Zellen sehr gut aufgenommen werden, sollten sie die gleiche Größe wir zum Beispiel Proteine haben.“

Die Forscher machten eine weitere überraschende Entdeckung. Fremdatome, die in den Nanodiamanten eingeschlossen sind, erweisen sich wider Erwarten als besonders stabil. Während nur wenig größere Diamanten Fremdatome ausstoßen, gilt dies für die kleinen Nanodiamanten nicht. Für die Forscher ist das eine gute Nachricht: Die Fremdatome verleihen den Nanodiamanten nämlich ihre besonderen Eigenschaften, die sie für viele Anwendungen erst interessant machen.

Ein Problem freilich ist mit den Methoden der Wissenschaft erst einmal nicht zu lösen: Es erreichen viel zu wenige Meteoriten die Erde, um die darin eingeschlossenen Nanodiamanten nutzbar zu machen. Stattdessen arbeiten die Forscher bereits an einer Methode, um die Wachstumsbedingungen im Meteoriten auf seiner langen Reise durch das All nachzuahmen.

Die Faszination der Tropfen

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat der Universität Stuttgart die Fortsetzung des  transregionalen Sonderforschungsbereich 75 (SFB-TRR 75) zum Thema „Tropfendynamische Prozesse unter extremen Umgebungsbedingungen“ bewilligt.  In diesem Transregio kooperieren Stuttgarter Forscher mit der Technischen Universität Darmstadt und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Lampoldshausen. Sprecher ist

Prof. Bernhard Weigand vom Institut der Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt der Universität Stuttgart. Die Finanzierung beträgt für das Jahr 2014 2,2 Millionen Euro und in den folgenden drei Jahren jeweils 1,7 Millionen Euro.

Mit der Verlängerung werden auch zwei neue und ein bisher assoziiertes Teilprojekte in die Förderung aufgenommen. Damit kann der Transregio sein Profil sowohl im Bereich der numerischen Grundlagen als auch in der numerischen und experimentellen Untersuchung von Flashboiling-Vorgängen in Raketenbrennkammern stärken. Bei der Begutachtung des Sonderforschungsbereichs im September 2013 konnten sich die Gutachter ein Bild von der hervorragenden Kooperation der Wissenschaftler an den drei beteiligten Standorten machen. Alle laufenden und neu hinzu kommenden Teilprojekte konnten die Gutachter durch Ihre Qualität überzeugen. Deshalb fallen nach der ersten Phase des SFB-TRR 75 keine Projekte weg, sondern es treten noch diese drei neuen hinzu. Die Entscheidung fiel am 21.11. bei der Auswahlsitzung in Bonn, bei der die Gutachter aus bundesweit 39 Anträgen 32 zur Förderung auswählten.

Prof. Wolfram Ressel, Rektor der Universität Stuttgart, bedankte sich bei allen Beteiligten im transregionalen Forschungsbereich für das erfolgreiche Engagement und unterstrich: „Die DFG-Entscheidung bestätigt erneut das international hohe Niveau der Grundlagenforschung im Bereich der Luft-und Raumfahrt an der Universität Stuttgart. Dieser Erfolg bekräftigt unsere Hoffnung, im nächsten Jahr einen weiteren Sonderforschungsbereich an unserer Universität etablieren zu können.“

Tropfen in Natur und Technik

Tropfen spielen in vielen Bereichen der Natur und der Technik eine zentrale Rolle. Hierbei ist das grundsätzliche Verständnis von tropfendynamischen Prozessen entscheidend für die Verbesserung technischer Systeme oder die bessere Voraussage natürlicher Prozesse. Viele dieser Prozesse laufen unter extremen Umgebungsbedingungen ab und werden schon in der Technik angewandt, obwohl es noch große Lücken im grundlegenden Verständnis der Vorgänge gibt. Hier genau setzt nun der Transregio an. Ziel ist es, ein vertieftes physikalisches Verständnis dieser Prozesse zu gewinnen. Darauf basierend sollen Wege zur analytischen und numerischen Beschreibung dieser Prozesse aufgezeigt und diese selbstverständlich auch umgesetzt werden. Zudem wird dadurch auch eine Verbesserung der Vorhersage von größeren Systemen in der Natur oder in technischen Anlagen ermöglicht. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen exemplarisch auf fünf ausgewählte Systeme als „Leitbeispiele“ angewendet werden. Vergleiche der Voraussagen mit dem tatsächlichen Verhalten der Systeme dienen der fortlaufenden kritischen Überprüfung der Ergebnisse der Untersuchungen. Nachdem der Fokus des SFB-TRR 75 in der ersten Förderphase auf grundlegenden Vorgängen von Einzeltropfen lag, fokussiert der Transregio in der zweiten Phase auf kleine Tropfengruppen und Tropfenverbünde, die sich alle entlang der gewählten Leitbeispiele ausrichten.

 Quelle: Universität Stuttgart