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Formas alotrópicas del carbono |
Diamante
Grafito y diamante son las principales formas alotrópicas del
carbono. En el caso del grafito los átomos de C presentan una hibridación sp2, lo que quiere decir que cada átomo se encuentra enlazado con otros 3 mediante un enlace
covalente, formando estructuras laminares. En el diamante, sin embargo, los átomos de C presentan una hibridación sp3, uniéndose cada uno de ellos a otros 4 átomos de C mediante un enlace
covalente y formando una estructura tridimensional. Así, el grafito es uno de los materiales más blandos, dado que las uniones entre planos grafíticos son muy débiles y es fácilmente exfoliable. Sin embargo, el diamante es la sustancia más dura
que se conoce debido precisamente a esa estructura tridimensional de enlaces covalentes. De hecho, el término diamante proviene de la palabra griega adamas que significa “el invencible”, por la dureza del mineral.
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Formas alotrópicas del carbono |
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Los mayores diamantes El peso de un diamante se mide en quilates (1qt = 0,2 g) y su precio suele aumentar con el número de quilates. El diamante más grande de
todos es el Cullinan, descubierto en la mina Premier de Suráfrica en 1905. El Cullinan pesaba 3.106 quilates antes de ser cortado. Cuando se talló se produjeron 105 gemas con un peso total de 1.063 quilates. El mayor era una
piedra con forma de gota llamada la Estrella de África que, con 530,2 quilates, es el diamante tallado más grande del mundo. En la actualidad está engastado en el cetro real británico. Sin embargo este diamante podría ser de
dimensiones despreciables si tenemos en cuenta que algunos astrónomos han planteado la posibilidad de que existan planetas que podrían tener gruesas capas de diamantes debajo de su superficie. Ese tipo de planeta se desarrollaría de forma
distinta a la Tierra, Marte y Venus, denominados planetas de silicato, en su mayoría constituidos por complejos de silicio-oxígeno. Los planetas de carbono podrían haberse condensado a partir de un disco gaseoso rico en carbono o muy poco
oxígeno, formándose carburos y grafitos en lugar de silicatos. Por otro lado, el grafito se convertiría en diamante bajo las presiones elevadas y potencialmente formaría capas de diamantes de un grosor de varios kilómetros. Los Planetas que
orbitan el pulsar PSR 1257+12 pueden ser planetas de carbono. Otros buenos candidatos para planetas de carbono pueden estar ubicados cerca del centro de la galaxia, donde las estrellas tienen más carbono que el sol. |
La Estrella de África |
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Planeta de diamante |
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Diagrama de fases del carbono |
Un diamante NO es para siempre La forma alotrópica estable del carbono, en condiciones atmosféricas es el grafito y no el diamante. Por tanto, de una forma estricta, el eslogan “un diamante es para siempre” sería falso, ya que en condiciones atmosféricas el diamante se irá transformando en grafito. Sin embargo, la transformación del diamante a grafito es tan lenta que no es posible detectarla a escala humana.
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Películas de diamante sintético
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Microfotografía de una capa de diamante sintético |
Tradicionalmente la síntesis de diamante sintético se realizaba por medio de técnicas que implicaban el uso de altas presiones (> 100000 at.) y altas temperaturas (> 1000ºC). Estas técnicas utilizan un líquido orgánico como fuente de carbono y un metal como catalizador (Si, Ti, Nb, Ta, W + Co). Bajo ciertas condiciones de presión y temperatura, el diamante precipita como una fase en equilibrio. Por contra, para preparar diamante películas de diamante sintético a bajas presiones y temperaturas moderadas se han desarrollado diverso métodos basados en depositito químico en fase de vapor (del ingles carbon vapor deposition CVD). Las técnicas más comúnmente utilizados para preparar diamante monocristalino incluyen varios tipos de descarga por plasma, filamentos incandescentes, llamas de combustión, láseres de alta potencia etc. En estos métodos, los gases que contienen carbono (CH4, C2H6, C6H6, etc.) son fragmentados, en presencia de H2, en especies atómicas o moleculares (neutras o ionizadas) por el plasma, el filamento incandescente o la llama. Utilizando estos métodos es posible formar capas de diamante monocristalino y policristalino (con tamaño de grano del orden de varios manómetros a algunas micras) a temperaturas que varían entre 700 y 1000°C y a presiones (del gas utilizado) menores a una atmósfera. La dureza de los recubrimientos de diamante micro-cristalino varía entre 30 y 60 GPa, según el proceso utilizado para su preparación.
Carbones tipo diamante
El carbón tipo diamante (traducción de diamond-like carbon, DLC) es un material carbonoso que se obtiene en forma de recubrimientos sobre substratos mediante una técnica de depositito químico en fase de vapor. No se trata de cristales de diamantes como las películas de diamante sintético, sino más bien de un material de carbono amorfo que presenta propiedades similares a las del diamante. Para su obtención se utiliza una mezcla de hidrógeno e hidrocarburos gaseosos que son fragmentados, generalmente, mediante el uso de un plasma. Las especies que contienen carbono se depositan sobre el substrato en forma de un material con una estructura amorfa metaestable en la que los átomos decarbono se unen mediante enlaces sp2y sp3. Según las condiciones utilizadas para su preparación, el recubrimiento puede incluir porcentajes atómicos de hidrógeno de hasta un 40%. El hidrógeno ayuda a estabilizar los enlaces sp3, aunque recubrimientos con demasiado hidrógeno tienen baja densidad, lo cual disminuye su dureza. La mezcla de enlaces induce en los recubrimientos de este material propiedades extremas. Por ejemplo, su dureza es mayor a la del diamante microcristalino y es comparable a la del diamante natural; tiene una superficie más plana y un bajo coeficiente de fricción.
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Diamantes Negros El diamante negro o diamante carbonatado (en Inglés carbonado diamond), puede
considerarse como una rareza. Estos diamantes son agregados policristalinos de pequeños diamantes que se encuentran únicamente en Brasil y la República Centroafricana. Este tipo de diamantes son negros, altamente porosos, poseen inclusiones
radioactivas y cierta luminiscencia; lo que los hace muy diferentes al otros diamantes naturales policristalinos.
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© 2006 J. Ángel Menéndez
