Diamante

En mineraloxía, o diamante (do grego antigo αδάμας, adámas, que significa invencible ou inalterable) é un alótropo do carbono onde os átomos de carbono están dispostos nunha variante da estrutura cristalina cúbica centrada na cara denominada "rede de diamante". É a segunda forma máis estable do carbono, despois do grafito; porén, a taxa de conversión de diamante a grafito é desprezable a condicións ambientais. Ten renome especificamente como un material con características físicas superlativas, moitas das cales derivan do forte enlace covalente entre os seus átomos. En particular, o diamante ten a máis alta dureza e condutividade térmica de todos os materiaiss coñecidos polo ser humano. Estas propiedades determinan que a súa aplicación industrial principal sexa en ferramentas de corte e de puído, ademais doutras aplicacións. Tamén son a razón pola que as células de bigonia de diamante poden someter materiais a presións que se atopan nas profundidades da terra.
É un dos minerais máis preciados do mundo polas súas características físicas. Ten características ópticas destacables. Debido á súa estrutura cristalina extremadamente ríxida, apenas é contaminado por poucos tipos de impurezas, como o boro e o nitróxeno. Se a isto se lle engade a súa gran transparencia (correspondente a unha ampla banda prohibida de 5, 5 eV), o resultado é a aparencia clara e incolora da maioría dos diamantes naturais. Pequenas cantidades de defectos ou impurezas (aproximadamente unha parte por millón) inducen unha cor de diamante azul (boro), amarelo (nitróxeno), marrón (defectos cristalinos), verde, violeta, rosado, negro, laranxa ou vermello. O diamante tamén ten unha dispersión refractiva relativamente alta, isto é, habilidade para dispersar luz de diferentes cores, que lle dá o seu brillo característico. As súas excelentes propiedades ópticas e mecánicas, combinadas cunha mercadotecnia eficiente, fan que sexa a xema máis popular.
A maioría dos diamantes naturais fórmanse en condicións de presión e temperatura extremas, existentes a profundidades de 140 km a 190 km no manto terrestre. Os minerais que conteñen carbono abastéceno, e o crecemento ten lugar nun período de tempo de 1. 000 a 3. 300 millóns de anos que representa, aproximadamente, entre o 25 % e o 75 % da idade da Terra. Os diamantes ascenden ata preto da superficie terrestre no magma producido por erupcións volcánicas profundas, que se arrefría en rochas ígneas, coñecidas como kimberlitas e lamproítos. Tamén poden ser producidos sinteticamente nun proceso de alta presión e alta temperatura que simula aproximadamente as condicións no manto da Terra. Unha alternativa e técnica completamente diferente, é a deposición química de vapor. Algúns materiais distintos ao diamante, entre os que están a zirconia cúbica e o carburo de silicio, son denominados frecuentemente simulantes de diamante, semellándose ao diamante en aparencia e moitas propiedades. Desenvolvéronse técnicas xemológicas especiais para distinguir os diamantes naturais dos sintéticos de dos simulantes de diamante. Propiedades
Un diamante é un cristal transparente de átomos de carbono enlazados tetraedralmente (sp3) que cristaliza na rede de diamante, variación da estrutura cúbica centrada na cara. Os diamantes adaptáronse para moitos usos debido ás excepcionais características físicas. As máis notables son a súa dureza extrema e a súa conductividade térmica (900–2. 320 W/(m·K)), así como a ampla banda prohibida e alta dispersión óptica. Sobre os 1. 700 °C (1. 973 K) no baleiro ou en atmosfera libre de oxíxeno, o diamante convértese en grafito; en aire a transformación comeza aproximadamente a 700 °C. Os diamantes existentes na natureza teñen unha densidade que vai dende 3, 15–3, 53 g/cm3, con diamantes moi puros xeralmente extremadamente preto a 3, 52 g/cm3.
Termodinámica
As condicións de presión e temperatura de equilibrio para unha transición entre grafito e diamante están ben establecidas teórica e experimentalmente. A presión de equilibrio varía linealmente coa temperatura, entre 1, 7 GPa a 0 K e 12 GPa a 5000 K. (o punto triplo diamante/grafito/líquido). Con todo, as fases teñen unha ampla rexión ao redor desta liña na que poden coexistir. A temperatura e presión estándar, 20 °C (293 K) e 1 atmosfera estándar (0, 10 MPa), a fase estable do carbono é o grafito, pero o diamante é metaestable e a súa taxa de conversión a grafito é desprezable. Con todo, a temperaturas superiores a uns 4500 K, o diamante convértese rapidamente en grafito. A rápida conversión de grafito en diamante require presións moi superiores á liña de equilibrio: a 2000 K, necesítase unha presión de 35 GPa.
Por encima do punto triplo grafito-diamante-carbono líquido, o punto de fusión do diamante aumenta lentamente ao aumentar a presión; pero a presións de centos de GPa, diminúe. A altas presións, o silicio e o xermanio teñen unha |estrutura cristalina cúbica centrada no corpo BC8, e prevese unha estrutura similar para o carbono a altas presións. Así a 0 K, prevese que a transición ocorrerá os 1100 GPa
Os resultados publicados nun artigo da revista científica Nature Physics en 2010 suxiren que, a presións e temperaturas ultraelevadas (uns 10 millóns de atmosferas ou 1 TPa e 50. 000 °C), o diamante fúndese nun fluído metálico. As condicións extremas necesarias para que isto ocorra danse nos xigantes de xeo Neptuno e Urano. Ambos os planetas están formados por aproximadamente un 10 por cento de carbono e hipoteticamente poderían conter océanos de carbono líquido. Dado que grandes cantidades de fluído metálico poden afectar o campo magnético, isto podería servir como explicación de por que os polos xeográficos e magnéticos dos dous planetas están desalineados.
Estrutura cristalina
A estrutura cristalina máis común do diamante denomínase diamante cúbico. Está formada por celas unitarias apiladas (véxase a figura). Aínda que na figura hai 18 átomos, cada átomo das esquinas é compartido por oito celas unitarias e cada átomo do centro dunha cara é compartido por dúas, polo que hai un total de oito átomos por cela unitaria. A lonxitude de cada lado da cela unitaria denótase por a e é de 3, 567 ángstroms.
A distancia entre veciños máis próximos na rede do diamante é de 1, 732' 'a/4, onde a é a constante de rede, normalmente dada en ángstrøms como a 3, 567 Å, o que equivale a 0, 3567 nm.
Unha rede cúbica de diamante pode considerarse como dúas redes cúbicas centradas na cara interpenetradas cunha desprazada 1⁄4 da diagonal ao longo dunha cela cúbica, ou como unha rede con dous átomos asociados a cada punto de rede. Visto desde unha dirección cristalográfica <111>, está formado por capas apiladas nun patrón ABCABC. .. que se repite. Os diamantes tamén poden formar unha estrutura ABAB. .. , que se coñece como diamante hexagonal ou lonsdaleíta, pero isto é moito menos común e fórmase en condicións diferentes ás do carbono cúbico.
Hábito cristalino
Os diamantes adoitan presentarse con maior frecuencia en forma de octaedros euhedrales ou redondeados e octaedros maclados. Como a estrutura cristalina do diamante ten unha disposición cúbica dos átomos, teñen moitas facetas que pertencen a un cubo, octaedro, rombicosidodecaedro, tetraquishexaedro, ou hexaquisoctaedro. Os cristais poden ter arestas redondeadas e inexpresivas e poden ser alargados. Os diamantes (especialmente os de caras cristalinas redondeadas) adoitan atoparse recubertos de nyf, unha pel opaca parecida á goma.
Algúns diamantes conteñen fibras opacas. Denomínanse opacas se as fibras crecen a partir dun substrato transparente ou fibrosas si ocupan todo o cristal. As súas cores van do amarelo ao verde ou ao gris, ás veces con impurezas brancas ou grises en forma de nube. A súa forma máis común é a cuboidal, pero tamén poden formar octaedros, dodecaedros, maclas ou formas combinadas. A estrutura é o resultado de numerosas impurezas con tamaños de entre 1 e 5 micrómetros. Estes diamantes formáronse probablemente en magma de kimberlita e tomaron mostras dos volátiles.
Os diamantes tamén poden formar agregados policristalinos. Tentouse clasificalos en grupos con nomes como boart, ballas, stewartita e framesita, pero non existe un conxunto de criterios amplamente aceptado. O carbonado, un tipo no que os grans de diamante foron sinterizados (fundidos sen fundir mediante a aplicación de calor e presión), é de cor negra e máis duro que o diamante monocristalino. Nunca se observou nunha roca volcánica. Existen moitas teorías sobre a súa orixe, incluída a formación nunha estrela, pero non hai consenso. Mecánica
Dureza
O diamante é o material máis duro na escala cualitativa de Mohs. Para realizar o ensaio de dureza cuantitativo de Vickers, golpéanse mostras de materiais cunha pirámide de dimensións normalizadas utilizando unha forza coñecida; para a pirámide utilízase un cristal de diamante que permite ensaiar unha ampla gama de materiais. A partir do tamaño da fendidura resultante, pódese determinar o valor de dureza Vickers do material. A gran dureza do diamante en comparación con outros materiais coñécese desde a antigüidade e de aí o seu nome. Isto non significa que sexa infinitamente duro, indestructible ou imposible de raiar. En efecto, os diamantes poden ser raiados por outros diamantes e desgástanse co tempo mesmo con materiais máis brandos, como os discos fonográficos de vinilo.
A dureza do diamante depende da súa pureza, perfección cristalina e orientación: a dureza é maior para os cristais puros e sen defectos orientados na dirección do <111> (ao longo da diagonal máis longa da rede cúbica do diamante). Por tanto, mentres que sería posible raiar algúns diamantes con outros materiais, como o nitruro de boro, os diamantes máis duros só poden ser raiados por outros diamantes e agregados de diamante nanocristalinos.
A dureza do diamante contribúe á súa idoneidade como pedra preciosa. Como só pode ser raiado por outros diamantes, mantén moi ben o seu pulido. A diferenza de moitas outras gemas, é moi axeitado para o uso diario debido á súa resistencia aos arañazos, o que quizais contribúa á súa popularidade como a gema preferida nos aneis de voda, que adoitan ser usados todos os días durante décadas.
Os diamantes naturais máis duros proceden principalmente dos xacementos de Copeton e Bingara situados na zona de Nova Inglaterra en Nova Gales do Sur, Australia. Estes diamantes foron chamados can-ni-faire ("non pode facerse nada con eles", unha combinación do inglés "can"
poder, italiano "ni"
non e o francés "faire" facer) polos cortadores en Anveres cando empezaron a chegar en cantidades desde Australia na década de 1870. Estes diamantes son xeralmente pequenos, octaedros perfectos a semiperfectos, e utilízanse para puír outros diamantes. A súa dureza está asociada á forma de crecemento cristalino, que é o crecemento cristalino nunha soa etapa. A maioría dos outros diamantes mostran máis evidencias de múltiples etapas de crecemento, que producen inclusións, defectos e planos defectuosos na rede cristalina, todo o cal afecta á súa dureza. É posible tratar diamantes normais mediante unha combinación de alta presión e alta temperatura para producir diamantes máis duros que os utilizados nos medidores de dureza.
Os diamantes cortan o vidro, pero isto non identifica positivamente a un diamante porque outros materiais, como o cuarzo, tamén se sitúan por encima do vidro na escala de Mohs e tamén poden cortalo. Os diamantes poden raiar outros diamantes, pero isto pode provocar danos nunha ou ambas as pedras. As probas de dureza utilízanse con pouca frecuencia en xemoloxía práctica debido á súa natureza potencialmente destrutiva. A extrema dureza e o elevado valor do diamante fan que as xemas adoiten puírse lentamente, con esmeradas técnicas tradicionais e unha maior atención ao detalle que no caso da maioría das demais pedras preciosas; O resultado adoitan ser facetas extremadamente planas, moi pulidas e con bordos excepcionalmente afiados. Os diamantes tamén posúen un índice de refracción extremadamente alto e unha dispersión bastante elevada. En conxunto, estes factores inflúen no aspecto xeral dun diamante pulido e a maioría dos diamantistas seguen confiando no uso experto dunha lupa para identificar os diamantes «a ollo».
O diamante é o material natural máis duro coñecido ata o momento (aínda que en 2009 se iniciaron uns estudos que parecen demostrar que a lonsdaleíta é un 58% máis dura) onde a dureza está definida como a resistencia a ser raiado. O diamante ten unha dureza de 10 (a máxima dureza) na escala de Mohs de dureza dos minerais.
Resistencia
Algo relacionada coa dureza é outra propiedade mecánica a tenacidade, que é a capacidade dun material para resistir a rotura por impactos fortes. A dureza do diamante natural foi medida como 50–65 MPa-m1/2· Este valor é bo en comparación con outros materiais cerámicos, pero pobre en comparación coa maioría dos materiais de enxeñaría, como as aliaxes de enxeñaría, que adoitan presentar unha tenacidade superior a 80 MPa-m1/2. Como ocorre con calquera material, a xeometría macroscópica do diamante contribúe á súa resistencia á rotura. O diamante ten un plano de exfoliación e, por tanto, é máis fráxil nunhas orientacións que noutras. Os talladores de diamantes utilizan este atributo para escindir algunhas pedras antes de facetalas. A «tenacidade ao impacto» é un dos principais índices para medir a calidade dos diamantes industriais sintéticos.
Límite elástico
O diamante ten un límite elástico de compresión de 130–140 GPa. Este valor excepcionalmente alto, xunto coa dureza e transparencia do diamante, son as razóns polas que as celas de bigornia de diamante son a principal ferramenta para experimentos de alta presión. Estas bigornias alcanzaron presións de 600 GPa. Presións moito máis altas poden ser posibles con diamantes nanocristalinos.
Elasticidade e resistencia á tracción
Polo xeral, os intentos de deformar o cristal de diamante a granel por tracción ou flexión dan lugar a unha fractura fráxil. Con todo, cando o diamante monocristalino preséntase en forma de arames ou agullas a micro/nanoescala (~100-300 nanómetros de diámetro, micrómetros de lonxitude), poden estirarse elásticamente até un 9-10% de tensión de tracción sen que fallen, cunha tensión de tracción local máxima de aproximadamente 89–98 GPa, moi preto do límite teórico para este material.
Condutibilidade eléctrica
Tamén existen ou se están desenvolvendo outras aplicacións especializadas, incluído o uso como semicondutores: algúns diamantes azuis son semicondutores naturais, en contraste coa maioría dos diamantes, que son excelentes illantes eléctricos. A condutividade e a cor azul orixínanse da impureza do boro. O boro substitúe aos átomos de carbono na rede do diamante, doando un oco á banda de valencia.
Obsérvase habitualmente unha condutividade substancial en diamantes nominalmente non dopados cultivados por deposición química de vapor. Esta condutividade está asociada a especies relacionadas co hidróxeno adsorbidas na superficie e pode eliminarse mediante recocido ou outros tratamentos superficiais.
As agullas finas de diamante poden variar a súa banda prohibida electrónica desde os 5, 6 eV normais até case cero mediante unha deformación mecánica selectiva.
As obleas de diamante de alta pureza cun diámetro de 5 cm presentan unha resistencia perfecta nunha dirección e unha conductancia perfecta na outra, o que abre a posibilidade de utilizalas para o almacenamento de datos cuánticos. O material contén só tres partes por millón de nitróxeno. O diamante cultivouse sobre un substrato graduado, o que eliminou o agretamento. Aparencia
O diamante preséntase en forma de cristais incoloros octaédricos ou cúbicos de brillo adamantino aínda que a miúdo pódense atopar diamantes de cores variadas (branca, amarela, parda, vermella, verde ou azul). A cor nos diamantes ten dúas fontes adicionais: irradiación (usualmente por partículas alfa), que ocasiona a cor nos diamantes verdes e deformacións físicas do cristal de diamante coñecidas como deformacións plásticas. A deformación plástica é a causa da cor en certos diamantes castaños e talvez nalgúns rosados e vermellos. En orde de rareza, os diamantes incoloros, por moito os máis comúns, son seguidos polos amarelos e castaños, despois polos azuis, verdes, negros, brancos translúcidos, rosados, violetas, laranxas, morados, e o máis raro o vermello. Chámanse diamantes negros aos diamantes que non son verdadeiramente negros, mais que conteñen numerosas inclusións escuras que dan á xema a súa aparencia escura. Ocorrencia
As rexións máis ricas en diamantes son a India, Brasil e Suráfrica, pero as características do terreo onde estes se atopan son distintas en cada zona.
Na India, por exemplo, encóntranse principalmente en terras con propiedades areosas e en conglomerados antigos, probablemente silúricos (pertencentes ó segundo período da era primaria) e en masas dos ríos.
No Brasil, no estado de Minas Xerais, os diamantes atópanse nunha rocha formada en gran parte por cuarzo e mica. Pola contra, nos estados de Baía, Goiás e Mato Grosso atópanse en depósitos soltos de aluvións e nas areas dos ríos.
En Suráfrica as condicións son distintas. O diamante atópase nas areas dos ríos e en depresións crateriformes do terreo, cheas dunha terra de cor parda na superficie e azul agrisada na súa parte máis profunda, constituída por partículas dunha rocha eruptiva análoga á serpentina procedente da descomposición da olivina: a kimberlita. Estrutura
A dureza do diamante, vén dada grazas aos enlaces entre os átomos de carbono (un dos enlaces máis fortes en química) e a súa disposición tridimensional no espazo en forma de pirámide. Se nos fixamos ben (ver imaxe da esquerda) e poñemos calquera dos seus lados como base da pirámide, poderemos contar os átomos de carbono por capas tendo na primeira 1, na segunda 4 e na terceira 9. Nesta forte estrutura a distancia entre dous carbonos é de 0, 15 nanómetros. Usos
O diamante é o mineral máis prezado no mundo da xoiería polo seu inconfundible brillo que presenta unha vez tallado. Debido á súa dureza un diamante só pode ser tallado por outro diamante.
É moi importante tamén na industria. Moitas actividades serían moi difíciles de levar a cabo se non existira o diamante posto que é, grazas á súa dureza, un material altamente abrasivo moi útil na fabricación de discos e moas para puír outras ferramentas. Os diamantes utilizados para tal fin son os diamantes de menor calidade (os que presentan burbullas ou impurezas no seu interior e que non poden ser utilizados na xoiería).