jueves, 28 de abril de 2011

Un diamante es para (casi) siempre, pero no es tan fácil de fabricar

Al parecer, la palabra diamante proviene del vocablo griego adamas, que significa invencible.  El mismo origen presenta el término adamantium, aleación que integra el esqueleto de Lobezno, unos de los mutantes miembros de X-men.
El peso de un diamante se mide en quilates.  Un quilate equivale a la quinta parte de un gramo, es decir 200 miligramos.  El segundo mayor diamante tallado que existe en la actualidad es la “Estrella de África” que, con algo más de 530 quilates, fue obtenido a partir de otro aún más grande (esta vez en bruto) llamado “Cullinan”, extraído en 1905 en una mina de Sudáfrica y cuyo peso ascendió a nada menos que 3106 quilates.  En la actualidad forma parte de las joyas de la Corona británica.  Sólo es superado por el “Golden Jubile”, con casi 546 quilates y propiedad del rey de Tailandia desde 1966.
La alotropía es aquella propiedad de los elementos químicos que hace posible que éstos se presenten bajo estructuras moleculares diferentes, o con características físicas distintas.  Sus diversas estructuras moleculares deben presentarse en el mismo estado físico (sólido, líquido o gaseoso, por ejemplo).  Actualmente se conocen cinco formas alotrópicas del carbono: grafito, diamante, fulerenos, nanotubos y nanoespumas.  Me centraré en las dos primeras por tratarse de las más comunes en la naturaleza.  Resulta que el grafito es la que, con mucho, más abunda, mientras que el diamante brilla por su ausencia y constituye una de las joyas de más valor, precisamente por su escasez y su dificultad de extracción en las minas.  En el grafito, cada átomo de carbono se encuentra unido a otros tres formando hexágonos de estructura laminar estando, al mismo tiempo estas láminas unidas entres sí mediante fuerzas de Van der Waals relativamente débiles.  Ésta es la razón por la que es posible escribir fácilmente con un lápiz.  En cambio, en el diamante, cada átomo de carbono se une a otros cuatro formando una estructura tridimensional muy resistente, que es la que le dota de esa dureza capaz de rayar a casi todos los materiales, por lo que es muy utilizado para recubrir muchos tipos de herramientas.  Además, los átomos de carbono en el diamante se encuentran en lo que se conoce como estructura metaestable (esto es un estado débilmente estable), que puede mantenerse durante miles de años (de ahí la célebre frase “un diamante es para siempre”, aunque la palabra “siempre” es un tanto exagerada)
¿Por qué, en condiciones normales, encontramos mucho más fácilmente el grafito que el diamante? Aquí tiene algo que decir la termodinámica, esa rama de la física que nos permite afirmar si un proceso se puede dar en la naturaleza de forma espontánea o, por el contrario, hay que proporcionarle energía para que se produzca.  Una de las funciones termodinámicas que permite hacer esto es la denominada energía libre de Gibbs.  Cuando se evalúa esta función para las dos fases (diamante y grafito) y se restan ambos valores (esta diferencia se conoce con el nombre de “delta G”), el signo negativo nos indica si la transformación de una fase en la otra es un proceso termodinámicamente favorecido y, por tanto, puede darse de forma espontánea.  En el caso que nos ocupa, la delta G muestra una clara dependencia tanto de la presión como de la temperatura y, desafortunadamente, resulta que tiene signo positivo. ¡Nuestro gozo en un pozo! Las puntas de nuestros lápices nunca se transformarán espontáneamente en diamantes.  Por el contrario, el diamante acabará trocándose en grafito si se deja transcurrir el tiempo suficiente.  Aunque ya podéis tranquilizar a vuestras parejas, pues a lo largo de toda su vida el diamante que les habéis regalado se mantendrá con todo su esplendor inicial.
¿Cuál debería ser, entonces, la presión necesaria para que la estructura cristalina del diamante fuese más estable que la del grafito a temperatura ambiente? Pues bien, si se realiza el cálculo de delta G asumiendo una temperatura de unos agradables 20ºC, se obtiene que su signo será negativo siempre y cuando la presión supere las 15.000 atmósferas.
Han sido documentadas numerosas declaraciones de personas o empresas que han afirmado haber creado un diamante de forma artificial, entre 1879 y 1928; cada intento ha sido analizado cuidadosamente y ninguno ha sido confirmado. En 1940, empezó una investigación sistemática en los Estados Unidos, Suecia, y la Unión Soviética, para crear diamantes usando los procesos de deposición química de vapor y de alta presión y alta temperatura. La primera síntesis reproducible fue reportada alrededor de 1953. Los dos procesos que dominan hoy en día la producción de diamantes sintéticos son la síntesis HPHT (de alta presión y alta temperatura, del inglés: high-pressure high-temperature) y la síntesis CVD, o de deposición química de vapor (en inglés: chemical vapor deposition).  Un tercer método, conocido como síntesis de detonación, ha ingresado al mercado del diamante a finales de la década de 1990. En este proceso, son creados granos de diamante de tamaño en la escala nanométrica, mediante la detonación de explosivos que contienen carbono. Ha sido demostrado un cuarto método en el laboratorio: tratar grafito con ultrasónica de alta potencia, pero no tiene aún aplicaciones comerciales.
Las propiedades del diamante sintético dependen de los detalles de los procesos de manufactura, y pueden ser inferiores o superiores a las de los diamantes naturales: la dureza, conductividad térmica y movilidad electrónica son superiores en algunos diamantes sintéticos (tanto HPHT o CVD). Consecuentemente, los diamantes sintéticos son ampliamente usados en abrasivos, cortado y herramientas de pulido, y en disipadores térmicos. Debido a su combinación única de estabilidad térmica y química, baja expansión térmica, y alta transparencia óptica en un rango espectral amplio, los diamantes sintéticos están convirtiéndose en el material más popular para la fabricación de ventanas ópticas en láser de CO2 de alta potencia, y girotrones.
Tanto los diamantes CVD y HPHT pueden ser cortados en gemas y pueden ser producidos varios colores: blanco claro, amarillo, marrón, azul, verde y anaranjado. La apariencia de las gemas sintéticas en el mercado ha creado preocupaciones importantes en el negocio de comercialización de diamantes, como resultado del cual se han desarrollado técnicas y dispositivos espectroscópicos para distinguir entre diamantes sintéticos y naturales.
En abril de 2007 la revista Science daba a conocer los resultados obtenidos por un grupo de investigadores de la Universidad de California, consistentes en la síntesis de un compuesto, el diboruro de renio, el cual presentaba unas propiedades de dureza semejantes a las del diamante, pero con la gran ventaja de poder ser fabricado a presiones normales, abaratando considerablemente el coste de producción de estos “diamantes” artificiales.  
En la actualidad existe un número considerable de compañías que se dedican a producir de forma industrial diamantes artificiales.  De todas ellas quizás las más sorprendentes sean LifeGem o Algordanza.  En 2002 la primera, y en 2004 la segunda, anunciaron que estaban en condiciones de producir los diamantes sintéticos a partir de los restos incinerados de cadáveres.  ¡Bonito final para nuestros seres queridos!

A estas alturas os estaréis preguntando a qué viene todo este culebrón sobre el carbón, el grafito y el diamante, y qué tiene que ver con el cine de ciencia ficción.  Pues la verdad es que casi nada; tan sólo es una mera disculpa para que vosotros mismos juzguéis la hazaña de Superman, quien, en la tercera entrega, Superman III (1983), protagonizada por Christopher Reeve, tras aterrizar suavemente en un yacimiento de carbón, recoge del suelo un puñado de negro carbón y, presionando fuertemente entre las palmas de sus manos, consigue sintetizar un estupendo y enorme pedrusco del preciado cristal transparente que todas las mujeres desean.  Aunque no quiero discutir en absoluto la superfuerza de nuestro hombre de acero, sí que me gustaría señalar que la piedra sale de sus manos nada menos que tallada con un gusto tan exquisito que ni los joyeros de Tiffany’s.

¡Qué manos tienes, Superman!


Nota: el texto anterior ha sido extraído de forma casi literal del magnífico libro LA GUERRA DE DOS MUNDOS, del profesor de la Universidad de Oviedo Sergio L. Palacios.  Un magnífico ejemplo de que se puede enseñar física, y hacer divulgación científica, de una forma muy amena o incluso divertida.  Muy recomendable. 

Estoy deseando comprarme su secuela EINSTEIN vs PREDATOR.

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