Einleitung
Der vorherige Artikel, Was ist ein Diamant?, erklärte, dass Diamant aus Kohlenstoff besteht, der in einem dreidimensionalen sp3-Gitter gebunden ist – und dass diese Struktur seine Härte, Brillanz und sein Feuer hervorruft. Dieser Artikel taucht tiefer in die Kristallographie ein: welche Form dieses Gitter annimmt, welche Formen ein Diamantkristall annimmt, wo seine Schwächeebenen liegen und was passiert, wenn das Kristallwachstum leicht fehlerhaft verläuft.
Dies sind keine abstrakten Bedenken. Der Kristallhabitus eines Rohdiamanten bestimmt, wie ein Schleifer ihn bearbeitet. Die Spaltflächen geben vor, wo ein Stein sauber gespalten werden kann und wo er anfällig für Beschädigungen ist. Verzwillingung beeinflusst, wie Licht durch einen fertigen Stein tritt. Das Verständnis der Diamant-Kristallstruktur verbindet die Geologie von Rohdiamanten mit den Entscheidungen, die jeden geschliffenen Stein formen, den Sie in einer Schmuckvitrine sehen werden.
Kernpunkte
Das kubische Kristallsystem
Mineralien werden anhand der Symmetrie ihrer Elementarzelle – dem kleinsten sich wiederholenden Baustein, der den gesamten Kristall aufbaut – in sieben Kristallsysteme eingeteilt. Diamant gehört zum kubischen System, auch isometrisches System genannt. In diesem System sind die drei kristallographischen Achsen gleich lang und treffen sich im rechten Winkel. Es ist das symmetrischste aller Kristallsysteme.
Die spezifische Struktur des Diamanten innerhalb des kubischen Systems ist ein flächenzentriertes kubisches (FCC) Gitter mit einer Zwei-Atom-Basis. Jedes Kohlenstoffatom sitzt im Zentrum eines Tetraeders, das von seinen vier nächsten Nachbarn gebildet wird, und das Muster wiederholt sich in jeder Richtung identisch. Aufgrund dieser hohen Symmetrie ist Diamant optisch isotrop – sein Brechungsindex (2.417) ist unabhängig von der Richtung, in der Licht durch den Kristall tritt, derselbe. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu vielen anderen Edelsteinen. Saphir (trigonales System) und Smaragd (hexagonales System) sind doppelbrechend: Licht spaltet sich in zwei Strahlen auf, die sich je nach Richtung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. Im Diamant verhält sich Licht entlang jeder Achse gleich.
Die Elementarzelle des Diamanten hat einen Gitterparameter von 3.567 Angström. Acht Kohlenstoffatome gehören zu jeder Elementarzelle. Die Dichte ergibt sich aus dieser Geometrie: 3.52 g/cm3, konsistent bei allen natürlichen und im Labor gezüchteten Diamanten.
Kristallhabitus – Wie Rohdiamanten aussehen
Ein Kristallhabitus beschreibt die äußere Form, die ein Mineral anzunehmen tendiert. Während die innere Struktur des Diamanten immer dasselbe FCC-Gitter ist, variiert die äußere Form je nach Wachstumsbedingungen – Temperatur, Druck, Wachstumsrate und die Chemie der umgebenden Umgebung.
Oktaeder. Der häufigste Habitus für natürliche Diamanten in Edelsteinqualität. Ein Oktaeder hat acht gleichseitige dreieckige Flächen und ähnelt zwei Pyramiden, die Basis an Basis verbunden sind. Die oktaedrischen Flächen entsprechen den kristallographischen Ebenen {111}. Viele Rohdiamanten erreichen Schleifereien als vollständige oder teilweise Oktaeder. Die oktaedrische Form ist für Schleifer von Bedeutung, da sie eine natürliche Symmetrie bietet, die sich für eine effiziente Ausbeute eignet – ein gut geformtes Oktaeder kann halbiert werden, um zwei runde Brillanten zu erzeugen.
Würfel. Kubische Diamanten werden von {100}-Flächen begrenzt – sechs quadratischen Flächen im rechten Winkel. Der kubische Habitus ist bei Rohdiamanten in Edelsteinqualität seltener und bei Industriediamanten häufiger. Kubische Kristalle erscheinen oft undurchsichtig oder durchscheinend statt transparent, obwohl auch klare kubische Rohsteine vorkommen. Die Oberfläche kubischer Diamanten zeigt häufig eine charakteristische gestufte oder terrassenförmige Textur, die durch abwechselnde Wachstumsschichten verursacht wird.
Dodekaeder (Rhombendodekaeder). Zwölf rautenförmige Flächen, begrenzt durch {110}-Ebenen. Dodekaedrische Diamanten sind häufig und zeigen oft gekrümmte oder abgerundete Flächen anstelle der flachen, scharfen Flächen, die bei Oktaedern zu sehen sind. Diese Rundung resultiert aus der Auflösung – der Kristall wurde teilweise im Mantel resorbiert, bevor er die Oberfläche erreichte. Viele Rohdiamanten in Edelsteinqualität sind dodekaedrisch oder eine Übergangsform zwischen oktaedrischer und dodekaedrischer Form.
Kombinations- und Übergangsformen. In der Praxis weisen viele Rohdiamanten Flächen aus mehr als einer Kristallform auf – beispielsweise ein Oktaeder mit abgeschnittenen Kanten, die dodekaedrische Flächen zeigen. Die relative Entwicklung verschiedener Flächentypen gibt Aufschluss über die Bedingungen, unter denen der Diamant entstand, und wie lange er sich in verschiedenen thermischen Umgebungen innerhalb des Mantels befand.
Flache und tafelförmige Kristalle. Einige Rohdiamanten wachsen als abgeflachte Platten. Diese dünnen, oft dreieckigen Kristalle werden Macles genannt (unten unter Verzwillingung besprochen). Sie stellen für Schleifer besondere Herausforderungen dar, da ihre Geometrie die für Pavillonfacetten verfügbare Tiefe begrenzt.
Spaltflächen
Spaltung ist die Tendenz eines Kristalls, entlang spezifischer Ebenen zu brechen, wo die atomare Bindung relativ schwächer ist. Bei Diamanten tritt Spaltung entlang der {111} oktaedrischen Ebenen auf – denselben Ebenen, die die Flächen eines oktaedrischen Kristalls bilden.
Dies mag widersprüchlich erscheinen: Diamant ist das härteste natürliche Material, doch er kann entlang definierter Richtungen gespalten werden. Der Schlüssel liegt in der Unterscheidung zwischen Härte (Widerstand gegen Kratzer) und Zähigkeit (Widerstand gegen Bruch). Härte misst die Schwierigkeit, Atome an der Oberfläche zu verschieben. Spaltung misst die Energie, die erforderlich ist, um eine Atomebene von der nächsten zu trennen. Entlang der {111}-Richtung ist die Dichte der atomaren Bindungen, die die Ebene kreuzen, geringer als in anderen Richtungen, wodurch ein bevorzugter Bruchpfad entsteht.
Diamant besitzt vier Spaltflächen, die den vier einzigartigen Orientierungen der {111}-Familie im kubischen System entsprechen. Ein erfahrener Spalter kann eine Klinge entlang einer dieser Ebenen positionieren und einen präzisen Schlag ausführen, um einen Rohdiamanten sauber in zwei Teile zu teilen. Diese Technik war die primäre Methode zur Teilung von Rohdiamanten, bevor mechanisches Sägen im zwanzigsten Jahrhundert Standard wurde. Sie wird auch heute noch in bestimmten Situationen angewendet, in denen Sägen unpraktisch ist – zum Beispiel, um eine große, oberflächennahe Einschlüsse zu entfernen.
Auswirkungen für Schmuck. Spaltung bedeutet, dass Diamanten nicht unzerstörbar sind. Dünne Kanten – eine scharfe Rundiste oder die spitze Spitze einer Marquise- oder Birnenform – sind anfällig. Ein scharfer Schlag entlang einer Spaltrichtung kann den Stein absplittern oder brechen. Dies ist ein Grund, warum Gemmologen schützende Fassungen (wie V-Krappen oder Zargenfassungen) für spitze Diamantformen empfehlen.
Verzwillingung
Verzwillingung tritt auf, wenn zwei oder mehr Kristallbereiche in unterschiedlichen Orientierungen zusammenwachsen und eine gemeinsame kristallographische Ebene teilen. Bei Diamanten ist das häufigste Zwillingsgesetz der Spinell-Zwilling, bei dem zwei Kristallhälften über eine {111}-Ebene gespiegelt sind. Der resultierende Kristall wird Macle genannt.
Kontaktzwillinge (Macles). Eine Macle ist typischerweise ein abgeflachter, dreieckiger Kristall, der wie zwei flache oktaedrische Hälften aussieht, die an ihren Basen verbunden und um 180 Grad zueinander gedreht sind. Die Zwillingsebene verläuft durch die Mitte des Steins. Macles sind häufig – sie machen einen erheblichen Teil der natürlichen Rohdiamantproduktion aus.
Verzwillingung beeinflusst einen Diamanten auf verschiedene praktische Weisen:
Schwierigkeit beim Schleifen. Die beiden Kristallbereiche haben unterschiedliche Kornorientierungen. Da die Härte des Diamanten mit der kristallographischen Richtung leicht variiert (eine Eigenschaft, die als differentielle Härte oder gerichtete Härte bezeichnet wird), muss ein Polierer die Polierrichtung anpassen, wenn er von einem Zwillingsbereich zum anderen wechselt. Verzwillingte Rohsteine sind schwieriger effizient zu polieren als unverzwillingte Rohsteine.
Spaltungsunterbrechung. Die Spaltflächen in jedem Zwillingsbereich verlaufen in unterschiedliche Richtungen. Das bedeutet, dass ein verzwillingter Diamant nicht durch die Zwillingsgrenze gespalten werden kann – die Spaltfläche in einem Bereich setzt sich nicht im anderen fort. Paradoxerweise macht dies verzwillingte Diamanten in einigen Orientierungen zäher (bruchresistenter) als unverzwillingte Kristalle, da ein Riss nicht geradlinig durch den Stein dringen kann.
Interne Reflexionen. Zwillingsebenen können als interne Reflektoren wirken oder lokalisierte Spannungen verursachen, die manchmal unter Vergrößerung als sichtbare Kornlinie erscheinen. Bei der Reinheitsbewertung sind Twinning Wisps – feine, fadenförmige Einschlüsse, die mit Zwillingsebenen verbunden sind – ein anerkanntes Reinheitsmerkmal auf GIA-Berichten.
Zyklische und Durchdringungszwillinge. Seltener als einfache Kontaktzwillinge treten diese Formen auf, wenn mehrere Zwillingsbereiche sich überschneiden. Sternförmige oder fünfzackige zyklische Zwillinge sind bekannt, aber selten. Durchdringungszwillinge, bei denen zwei oktaedrische Kristalle ineinandergreifen, erzeugen optisch auffällige Exemplare, die von Mineraliensammlern geschätzt werden, obwohl sie selten für den Edelsteinschliff verwendet werden.
Oberflächenmerkmale
Rohdiamantkristalle weisen Oberflächenmarkierungen auf, die ihre Wachstums- und geologische Geschichte offenbaren:
- Trigonen – kleine dreieckige Vertiefungen auf oktaedrischen Flächen, entgegengesetzt zur Flächenbegrenzung ausgerichtet. Sie entstehen durch natürliche Ätzung und Auflösung. Ihre Tiefe und Schärfe geben Aufschluss darüber, wie viel Resorption der Kristall erfahren hat.
- Wachstumslinien – feine parallele Linien auf Kristallflächen, die aufeinanderfolgende Wachstumsschichten nachzeichnen. Sie sind auf kubischen Flächen am deutlichsten sichtbar.
- Schildförmige Lamellen – flache, schildförmige Erhebungen auf dodekaedrischen Flächen, die den Übergang vom oktaedrischen zum dodekaedrischen Wachstum dokumentieren.
- Ätzkanäle – schmale, röhrenförmige Kanäle, die die Kristalloberfläche durchdringen, verursacht durch chemische Auflösung entlang von Defektlinien.
Diese Merkmale werden beim Schleifen und Polieren entfernt, aber sie leiten die Beurteilung des Rohsteins durch den Schleifer – sie offenbaren innere Spannungen, Wachstumsrichtung und potenzielle Einschlusszonen, bevor der erste Sägeschnitt erfolgt.
Häufig gestellte Fragen
Zu welchem Kristallsystem gehört Diamant?
Diamant gehört zum kubischen (isometrischen) Kristallsystem. Seine Atome ordnen sich in einem flächenzentrierten kubischen Gitter an, das sich gleichmäßig in drei Dimensionen wiederholt, wodurch Diamant optisch isotrop ist – sein Brechungsindex von 2.417 ist unabhängig von der Richtung, in der Licht durch den Kristall tritt, derselbe.
Wie sieht ein Rohdiamant aus?
Die häufigste natürliche Form ist das Oktaeder – zwei vierseitige Pyramiden, die an ihren Basen verbunden sind. Rohdiamanten treten auch als Würfel, Dodekaeder (zwölfseitige Kristalle mit oft abgerundeten Oberflächen) und flache dreieckige Macles auf, die durch Verzwillingung entstehen. Oberflächenmerkmale wie Trigonen und Wachstumslinien offenbaren die geologische Geschichte des Kristalls.
Warum kann ein Diamant gespalten werden, wenn er das härteste Material ist?
Diamant spaltet entlang vier {111} oktaedrischer Ebenen, wo die Dichte der atomaren Bindungen, die die Ebene kreuzen, geringer ist als in anderen Richtungen. Härte misst den Widerstand gegen Kratzer; Spaltung misst den Widerstand gegen das Spalten entlang spezifischer Ebenen. Diamantschleifer haben diese Spaltflächen seit Jahrhunderten genutzt, um Rohsteine zu teilen.
Was ist eine Diamant-Macle?
Eine Macle ist ein verzwillingter Diamantkristall – zwei Kristallhälften, die über eine {111}-Ebene gespiegelt sind, wodurch ein flacher, dreieckiger Stein entsteht. Macles sind in der Natur häufig und stellen Herausforderungen beim Schleifen dar, da die beiden Kristallbereiche unterschiedliche Kornorientierungen aufweisen, was erfordert, dass der Polierer die Richtung anpasst, wenn er die Zwillingsgrenze überschreitet.
Zusammenfassung
Diamant kristallisiert im kubischen System als flächenzentriertes kubisches Gitter mit voller dreidimensionaler Symmetrie. Seine häufigste natürliche Form ist das Oktaeder, obwohl je nach Wachstumsbedingungen auch Würfel, Dodekaeder und abgerundete Auflösungsformen vorkommen. Vier Spaltflächen entlang der {111}-Richtungen ermöglichen es Schleifern, Rohsteine zu teilen, schaffen aber auch Anfälligkeiten an dünnen Kanten fertiger Steine. Verzwillingung – insbesondere die Macle-Bildung – erschwert das Schleifen durch die Einführung mehrerer Kornorientierungen, erhöht aber auch die Zähigkeit, indem sie die Rissausbreitung über Zwillingsgrenzen hinweg blockiert. Die Kristallographie des Diamanten ist nicht getrennt von seiner Schönheit oder Haltbarkeit; sie ist die direkte Quelle von beidem.