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Propiedades materiales del diamante

El diamante es el alótropo del carbono en el que los átomos de carbono están dispuestos en el tipo específico de red cúbica llamada diamante cúbico . Es un cristal que es transparente a opaco y que generalmente es isótropo (no tiene birrefringencia o tiene una birrefringencia muy débil ). El diamante es el material natural más duro que se conoce. Sin embargo, debido a su importante fragilidad estructural, la tenacidad del diamante a granel es solo aceptable a buena. La resistencia a la tracción precisa del diamante a granel es poco conocida; sin embargo, se sabe que su resistencia a la compresión es de hastaSe han observado 60  GPa y podría ser tan alto como90–100 GPa en forma de alambres o agujas de tamaño micro/nanómetro (~100–300 nm de diámetro, micrómetros de largo), con una deformación elástica de tracción máxima correspondiente superior al 9%. [1] [2] La anisotropía de la dureza del diamante se considera cuidadosamente durante el corte del diamante . El diamante tiene un alto índice de refracción (2,417) y propiedades de dispersión moderada (0,044) que dan a los diamantes tallados su brillantez. Los científicos clasifican los diamantes en cuatro tipos principales según la naturaleza de los defectos cristalográficos presentes. Las impurezas traza que reemplazan sustitutivamente los átomos de carbono en la estructura cristalina de un diamante y, en algunos casos, los defectos estructurales, son responsables de la amplia gama de colores que se ven en el diamante. La mayoría de los diamantes son aislantes eléctricos y conductores térmicos extremadamente eficientes . A diferencia de muchos otros minerales, la gravedad específica de los cristales de diamante (3,52) tiene una variación bastante pequeña de un diamante a otro.

Dureza y estructura cristalina

Conocido por los antiguos griegos como ἀδάμας ( adámas , 'apropiado, inalterable, irrompible') [3] y a veces llamado adamante , el diamante es el material natural más duro conocido y sirve como definición de 10 en la escala de dureza mineral de Mohs . El diamante es extremadamente fuerte debido a su estructura cristalina, conocida como diamante cúbico , en la que cada átomo de carbono tiene cuatro vecinos unidos covalentemente a él. El nitruro de boro cúbico a granel (c-BN) es casi tan duro como el diamante. El diamante reacciona con algunos materiales, como el acero, y el c-BN se desgasta menos al cortar o desgastar dicho material. [4] (Su ​​estructura de blenda de zinc es como la estructura cúbica del diamante, pero con tipos de átomos alternados). Un material actualmente hipotético, el nitruro de carbono beta (β- C 3 N 4 ), también puede ser tan duro o más duro en una forma. Se ha demostrado que algunos agregados de diamante que tienen un tamaño de grano nanométrico son más duros y resistentes que los cristales de diamante grandes convencionales, por lo que funcionan mejor como material abrasivo. [5] [6] Debido al uso de esos nuevos materiales ultraduros para las pruebas de diamantes, ahora se conocen valores más precisos para la dureza del diamante. Una superficie perpendicular a la dirección cristalográfica [111] (que es la diagonal más larga de un cubo) de un diamante puro (es decir, tipo IIa) tiene un valor de dureza de167 GPa cuando se raya con una punta de nanodiamante , mientras que la muestra de nanodiamante en sí tiene un valor de310 GPa cuando se prueba con otra punta de nanodiamante. Debido a que la prueba solo funciona correctamente con una punta hecha de un material más duro que la muestra que se está probando, el valor real para el nanodiamante probablemente sea algo menor que310 GPa . [5]

Visualización de una celda unitaria cúbica de diamante: 1. Componentes de una celda unitaria, 2. Una celda unitaria, 3. Una red de celdas unitarias de 3×3×3
Volumen molar vs presión a temperatura ambiente.
Modelo tridimensional de bolas y barras de una red de diamantes

Se desconoce la resistencia a la tracción precisa del diamante, aunque se ha demostrado que puede alcanzar una resistencia de hastaSe han observado 60 GPa y, teóricamente, podría ser tan alto como90–225 GPa dependiendo del volumen/tamaño de la muestra, la perfección de la red del diamante y su orientación: la resistencia a la tracción es la más alta para la dirección del cristal [100] (normal a la cara cúbica), menor para el eje [110] y la más pequeña para el eje [111] (a lo largo de la diagonal más larga del cubo). [7] El diamante también tiene una de las compresibilidades más pequeñas de cualquier material.

Los diamantes cúbicos tienen una clivaje octaédrico perfecto y fácil , lo que significa que solo tienen cuatro planos (direcciones débiles que siguen las caras del octaedro donde hay menos enlaces) a lo largo de los cuales el diamante puede dividirse fácilmente con un impacto contundente para dejar una superficie lisa. De manera similar, la dureza del diamante es marcadamente direccional : la dirección más dura es la diagonal de la cara del cubo , 100 veces más dura que la dirección más blanda, que es el plano dodecaédrico . El plano octaédrico es intermedio entre los dos extremos. El proceso de tallado del diamante depende en gran medida de esta dureza direccional, ya que sin ella sería casi imposible fabricar un diamante. El clivaje también juega un papel útil, especialmente en piedras grandes donde el cortador desea eliminar material defectuoso o producir más de una piedra de la misma pieza en bruto (por ejemplo, el diamante Cullinan ). [8]

Los diamantes cristalizan en el sistema cristalino cúbico del diamante ( grupo espacial Fd 3 m) y están formados por átomos de carbono unidos covalentemente de forma tetraédrica . También se ha encontrado una segunda forma llamada lonsdaleíta , con simetría hexagonal , pero es extremadamente rara y se forma solo en meteoritos o en síntesis de laboratorio. El entorno local de cada átomo es idéntico en las dos estructuras. A partir de consideraciones teóricas, se espera que la lonsdaleíta sea más dura que el diamante, pero el tamaño y la calidad de las piedras disponibles son insuficientes para probar esta hipótesis. [9] En términos de hábito cristalino , los diamantes se presentan con mayor frecuencia como octaedros euhedrales (bien formados) o redondeados y octaedros maclados, aplanados con un contorno triangular. Otras formas incluyen dodecaedros y (raramente) cubos. Existe evidencia de que las impurezas de nitrógeno juegan un papel importante en la formación de cristales euhedrales bien formados. Los diamantes más grandes encontrados, como el diamante Cullinan, no tenían forma. Estos diamantes son puros (es decir, tipo II) y, por lo tanto, contienen poco o ningún nitrógeno. [8]

Las caras de los octaedros de diamante son muy brillantes debido a su dureza; a menudo se presentan en las caras defectos de crecimiento de forma triangular ( trígonos ) o picaduras de grabado . La fractura de un diamante es irregular. Los diamantes que son casi redondos, debido a la formación de múltiples escalones en las caras octaédricas, suelen estar recubiertos de una piel similar a la goma ( NYF ). La combinación de caras escalonadas, defectos de crecimiento y NYF produce una apariencia "escamosa" u ondulada. Muchos diamantes están tan distorsionados que se pueden discernir pocas caras de cristal. Algunos diamantes encontrados en Brasil y la República Democrática del Congo son policristalinos y se presentan como masas radiales esféricas, opacas, de colores oscuros, de cristales diminutos; se conocen como ballas y son importantes para la industria, ya que carecen de los planos de clivaje del diamante monocristalino. El carbonado es una forma microcristalina opaca similar que se presenta en masas informes. Al igual que el diamante ballas, el carbonado carece de planos de clivaje y su gravedad específica varía ampliamente de 2,9 a 3,5. Los diamantes Bort , que se encuentran en Brasil, Venezuela y Guyana , son el tipo más común de diamante de grado industrial. También son policristalinos y, a menudo, están mal cristalizados; son translúcidos y se clivan fácilmente. [8]

Hidrofobia y lipofilia

Debido a su gran dureza y a su fuerte unión molecular, las facetas y los bordes de las facetas de un diamante tallado parecen los más planos y afilados. Un curioso efecto secundario de la perfección de la superficie de un diamante natural es la hidrofobia combinada con la lipofilia . La primera propiedad significa que una gota de agua colocada sobre un diamante forma una gota coherente, mientras que en la mayoría de los demás minerales el agua se esparciría para cubrir la superficie. Además, el diamante es inusualmente lipofílico, lo que significa que la grasa y el aceite se acumulan y se esparcen fácilmente sobre la superficie de un diamante, mientras que en otros minerales el aceite formaría gotas coherentes. Esta propiedad se explota en el uso de lápices de grasa , que aplican una línea de grasa a la superficie de un diamante simulado sospechoso . Las superficies de diamante son hidrófobas cuando los átomos de carbono de la superficie terminan con un átomo de hidrógeno e hidrófilas cuando los átomos de la superficie terminan con un átomo de oxígeno o un radical hidroxilo . El tratamiento con gases o plasmas que contienen el gas apropiado, a temperaturas deLa temperatura de 450 °C o superior puede cambiar por completo las propiedades de la superficie. [10] Los diamantes naturales tienen una superficie con menos de la mitad de una monocapa de oxígeno, siendo el resto hidrógeno y el comportamiento es moderadamente hidrofóbico. Esto permite la separación de otros minerales en la mina mediante la llamada "banda de grasa". [11]

Tenacidad

Diamantes en una cuchilla de amoladora angular

A diferencia de la dureza, que denota únicamente la resistencia al rayado, la tenacidad o dureza del diamante es solo aceptable o buena. La tenacidad se relaciona con la capacidad de resistir la rotura por caídas o impactos. Debido a la hendidura perfecta y fácil del diamante, es vulnerable a la rotura. Un diamante se romperá si se golpea con un martillo común. [12] La tenacidad del diamante natural se ha medido como2,0 MPa⋅m 1/2 , lo cual es bueno en comparación con otras piedras preciosas como la aguamarina (de color azul), pero deficiente en comparación con la mayoría de los materiales de ingeniería. Como ocurre con cualquier material, la geometría macroscópica de un diamante contribuye a su resistencia a la rotura. El diamante tiene un plano de clivaje y, por lo tanto, es más frágil en algunas orientaciones que en otras. Los cortadores de diamantes utilizan este atributo para clivar algunas piedras, antes de realizar el tallado. [13] [14]

Los diamantes ballas y carbonado son excepcionales, ya que son policristalinos y, por lo tanto, mucho más resistentes que los diamantes monocristalinos; se utilizan para brocas de perforación profunda y otras aplicaciones industriales exigentes. [15] Las formas de tallado particulares de los diamantes son más propensas a romperse y, por lo tanto, pueden no ser asegurables por compañías de seguros de buena reputación. El corte brillante de las piedras preciosas está diseñado específicamente para reducir la probabilidad de rotura o astillado. [8]

Los diamantes suelen contener cristales sólidos extraños, en su mayoría minerales como el olivino , los granates , el rubí y muchos otros. [16] Estas y otras inclusiones, como fracturas internas o "plumas", pueden comprometer la integridad estructural de un diamante. Los diamantes tallados que han sido mejorados para mejorar su claridad mediante el relleno de vidrio de las fracturas o cavidades son especialmente frágiles, ya que el vidrio no resistirá la limpieza ultrasónica ni los rigores del soplete del joyero. Los diamantes rellenos de fracturas pueden romperse si se tratan de forma inadecuada. [17]

Resistencia a la presión

Los diamantes , que se utilizan en los denominados experimentos de yunque de diamante para crear entornos de alta presión, soportan presiones de aplastamiento superiores a los 600 gigapascales (6 millones de atmósferas ). [18]

Propiedades ópticas

El color y sus causas

Diamantes sintéticos de varios colores obtenidos mediante la técnica de alta presión y alta temperatura. El tamaño del diamante es de ~2 milímetros .
Diamantes puros, antes y después de la irradiación y el recocido. En el sentido de las agujas del reloj desde la parte inferior izquierda: 1) inicial (2 mm × 2 mm ); 2–4) irradiados con diferentes dosis deElectrones de 2 MeV ; 5–6) irradiados con diferentes dosis y recocidos a800 °C .

Los diamantes se presentan en varios colores: negro, marrón, amarillo, gris, blanco, azul, naranja, violeta, rosa y rojo. Los diamantes coloreados contienen defectos cristalográficos , incluidas impurezas sustitutivas y defectos estructurales, que causan la coloración. En teoría, los diamantes puros serían transparentes e incoloros. Los diamantes se clasifican científicamente en dos tipos principales y varios subtipos, según la naturaleza de los defectos presentes y cómo afectan la absorción de la luz: [8]

El diamante tipo I tiene átomos de nitrógeno (N) como principal impureza, en una concentración de hasta el 1%. Si los átomos de N están en pares o en agregados más grandes, no afectan el color del diamante; estos son del tipo Ia. Alrededor del 98% de los diamantes gema son del tipo Ia: estos diamantes pertenecen a la serie del Cabo , llamada así por la región rica en diamantes anteriormente conocida como Provincia del Cabo en Sudáfrica , cuyos depósitos son en gran parte del tipo Ia. Si los átomos de nitrógeno están dispersos por todo el cristal en sitios aislados (no emparejados ni agrupados), le dan a la piedra un tinte amarillo intenso u ocasionalmente marrón (tipo Ib); los raros diamantes canarios pertenecen a este tipo, que representa solo ~0,1% de los diamantes naturales conocidos. El diamante sintético que contiene nitrógeno suele ser del tipo Ib. Los diamantes de tipo Ia y Ib absorben tanto en la región infrarroja como en la ultravioleta del espectro electromagnético , desde320 nm . También tienen un espectro de fluorescencia y absorción visible característico. [19]

Los diamantes de tipo II tienen muy pocas impurezas de nitrógeno, si es que tienen alguna. El diamante puro (tipo IIa) puede ser de color rosa, rojo o marrón debido a anomalías estructurales que surgen a través de la deformación plástica durante el crecimiento del cristal; [20] estos diamantes son raros (1,8% de los diamantes gema), pero constituyen un gran porcentaje de los diamantes australianos. Los diamantes de tipo IIb, que representan ~0,1% de los diamantes gema, suelen ser de un azul acerado o gris debido a los átomos de boro dispersos dentro de la matriz cristalina. Estos diamantes también son semiconductores , a diferencia de otros tipos de diamantes (ver Propiedades eléctricas). La mayoría de los diamantes azul grisáceos que provienen de la mina Argyle de Australia no son de tipo IIb, sino de tipo Ia. Esos diamantes contienen grandes concentraciones de defectos e impurezas (especialmente hidrógeno y nitrógeno) y el origen de su color aún es incierto. [21] Los diamantes de tipo II absorben débilmente en una región diferente del infrarrojo (la absorción se debe a la red del diamante en lugar de a las impurezas) y transmiten en el ultravioleta por debajo de los 225 nm, a diferencia de los diamantes de tipo I. También tienen diferentes características de fluorescencia, pero no un espectro de absorción visible discernible. [19]

Ciertas técnicas de mejora del diamante se utilizan comúnmente para producir artificialmente una variedad de colores, incluidos el azul, el verde, el amarillo, el rojo y el negro. Las técnicas de mejora del color generalmente implican irradiación , incluido el bombardeo de protones a través de ciclotrones ; bombardeo de neutrones en las pilas de reactores nucleares ; y bombardeo de electrones por generadores de Van de Graaff . Estas partículas de alta energía alteran físicamente la red cristalina del diamante , sacando átomos de carbono de su lugar y produciendo centros de color . La profundidad de la penetración del color depende de la técnica y su duración, y en algunos casos el diamante puede quedar radiactivo hasta cierto punto. [8] [22]

Algunos diamantes irradiados son completamente naturales; un ejemplo famoso es el diamante verde de Dresde . [11] En estas piedras naturales, el color se imparte mediante "quemaduras por radiación" (irradiación natural por partículas alfa originadas a partir de mineral de uranio ) en forma de pequeñas manchas, generalmente de solo micrómetros de profundidad. Además, las deformaciones estructurales de los diamantes de tipo IIa pueden "repararse" mediante un proceso de alta presión y alta temperatura (HPHT), eliminando gran parte o la totalidad del color del diamante. [23]

Lustre

Una dispersión de diamantes de talla brillante redonda muestra las numerosas facetas reflectantes.

El brillo de un diamante se describe como "adamantino", que simplemente significa similar al del diamante. Los reflejos en las facetas de un diamante correctamente tallado no se distorsionan, debido a su planitud. El índice de refracción del diamante (medido a través de la luz de sodio ,589,3 nm ) es 2,417. Debido a que tiene una estructura cúbica, el diamante también es isótropo . Su alta dispersión de 0,044 (variación del índice de refracción en el espectro visible) se manifiesta en el fuego perceptible de los diamantes tallados. Este fuego (destellos de colores prismáticos que se ven en piedras transparentes) es quizás la propiedad óptica más importante del diamante desde una perspectiva de joyería. La prominencia o cantidad de fuego que se ve en una piedra está muy influenciada por la elección del corte del diamante y sus proporciones asociadas (en particular, la altura de la corona), aunque el color del cuerpo de los diamantes de fantasía (es decir, inusuales) puede ocultar su fuego hasta cierto punto. [22]

Más de otros 20 minerales tienen una dispersión mayor (es decir, una diferencia en el índice de refracción de la luz azul y roja) que el diamante, como la titanita 0,051, la andradita 0,057, la casiterita 0,071, el titanato de estroncio 0,109, la esfalrita 0,156, el rutilo sintético 0,330, el cinabrio 0,4, etc. (véase Dispersión (óptica) ). [24] Sin embargo, la combinación de dispersión con extrema dureza, desgaste y resistividad química, así como un marketing inteligente, determina el valor excepcional del diamante como piedra preciosa.

Fluorescencia

Los diamantes exhiben fluorescencia , es decir, emiten luz de varios colores e intensidades bajo luz ultravioleta de onda larga (365 nm): las piedras de la serie Cape (tipo Ia) generalmente emiten fluorescencia azul, y estas piedras también pueden fosforescer amarillas, una propiedad única entre las piedras preciosas. Otros posibles colores de fluorescencia de onda larga son el verde (generalmente en piedras marrones), el amarillo, el malva o el rojo (en diamantes de tipo IIb). [25] En los diamantes naturales, normalmente hay poca o ninguna respuesta a la luz ultravioleta de onda corta, pero lo contrario es cierto en los diamantes sintéticos. Algunos diamantes naturales de tipo IIb fosforescen azul después de la exposición a la luz ultravioleta de onda corta. En los diamantes naturales, la fluorescencia bajo rayos X es generalmente de color blanco azulado, amarillento o verdoso. Algunos diamantes, particularmente los diamantes canadienses, no muestran fluorescencia. [19] [22]

El origen de los colores de luminiscencia a menudo no está claro y no es único. La emisión azul de los diamantes de tipo IIa y IIb se identifica de manera confiable con dislocaciones al correlacionar directamente la emisión con las dislocaciones en un microscopio electrónico . [26] Sin embargo, la emisión azul en el diamante de tipo Ia podría deberse a dislocaciones o a los defectos N3 (tres átomos de nitrógeno que bordean una vacante). [27] La ​​emisión verde en el diamante natural generalmente se debe al centro H3 (dos átomos de nitrógeno sustitutivos separados por una vacante), [28] mientras que en el diamante sintético generalmente se origina a partir del níquel utilizado como catalizador (ver figura). [19] La emisión naranja o roja podría deberse a varias razones, una de las cuales es el centro de nitrógeno-vacante que está presente en cantidades suficientes en todos los tipos de diamante, incluso el tipo IIb. [29]

Absorción óptica

Los diamantes de la serie Cape (Ia) tienen un espectro de absorción visible (tal como se ve a través de un espectroscopio de visión directa ) que consiste en una línea fina en el violeta en415,5 nm ; sin embargo, esta línea suele ser invisible hasta que el diamante se ha enfriado a temperaturas muy bajas. Asociada con esto hay líneas más débiles en478 nm ,465 nm ,452 nm ,435 nm , y423 nm . Todas esas líneas están etiquetadas como centros ópticos N3 y N2 y asociadas con un defecto que consiste en tres átomos de nitrógeno que bordean una vacante. Otras piedras muestran bandas adicionales: los diamantes marrones, verdes o amarillos muestran una banda en el verde en504 nm (centro H3, ver arriba), [28] a veces acompañado por dos bandas débiles adicionales en537 nm y495 nm (centro H4, un gran complejo que presumiblemente involucra 4 átomos de nitrógeno sustitucionales y 2 vacantes en la red). [30] Los diamantes de tipo IIb pueden absorber en el rojo lejano debido al boro sustitucional, pero por lo demás no muestran un espectro de absorción visible observable. [8]

Los laboratorios gemológicos utilizan espectrofotómetros que pueden distinguir entre diamantes naturales, artificiales y de color mejorado . Los espectrofotómetros analizan los espectros de absorción y luminiscencia infrarrojos , visibles y ultravioleta de los diamantes enfriados con nitrógeno líquido para detectar líneas de absorción reveladoras que normalmente no son discernibles. [8] [31]

Propiedades eléctricas

El diamante es un buen aislante eléctrico , con una resistividad de100 GΩ⋅m a1 EΩ⋅m [32] (1.0 × 10 11 –1.0 × 10 18  Ω⋅m ), y es famoso por su amplio intervalo de banda de 5.47 eV. Las altas movilidades de portadores [33] y el alto campo de ruptura eléctrica [34] a temperatura ambiente también son características importantes del diamante. Esas características permiten que el diamante monocristalino sea uno de los materiales prometedores para semiconductores . [ aclaración necesaria ] Un amplio intervalo de banda es ventajoso en los semiconductores porque les permite mantener una alta resistividad incluso a alta temperatura, importante para aplicaciones de alta potencia. Los semiconductores cuyas movilidades de portadores son altas, como el diamante, son más fáciles de utilizar en la industria porque no necesitan un alto voltaje de entrada. El alto voltaje de ruptura evita que se produzca repentinamente una gran corriente con voltajes de entrada típicos.

La mayoría de los diamantes azules naturales son una excepción y son semiconductores debido a las impurezas de boro sustitucionales que reemplazan los átomos de carbono. Los diamantes azules naturales o gris azulados, comunes en la mina de diamantes Argyle en Australia, son ricos en hidrógeno ; estos diamantes no son semiconductores y no está claro si el hidrógeno es realmente responsable de su color gris azulado. [21] Los diamantes azules naturales que contienen boro y los diamantes sintéticos dopados con boro son semiconductores de tipo p . Las películas de diamante de tipo N se sintetizan de forma reproducible mediante dopaje de fósforo durante la deposición química de vapor . [35] Las uniones pn de diodos y los diodos emisores de luz ultravioleta ( LED , por sus siglas en inglés)Se han producido 235 nm mediante la deposición secuencial de capas de tipo p (dopadas con boro) y de tipo n (dopadas con fósforo). [36] Las propiedades electrónicas del diamante también se pueden modular mediante ingeniería de deformación . [1]

Se han producido transistores de diamante (con fines de investigación). [37] En enero de 2024, un equipo de investigación japonés fabricó un MOSFET utilizando diamante tipo n dopado con fósforo, que tendría características superiores a la tecnología basada en silicio en aplicaciones de alta temperatura, alta frecuencia o alta movilidad de electrones. [38] Se han fabricado FET con capas dieléctricas de SiN y SC-FET. [39]

En abril de 2004, una investigación publicada en la revista Nature informó que a continuación4  K , el diamante sintético dopado con boro es un superconductor a granel. [40] Posteriormente se observó superconductividad en películas fuertemente dopadas con boro cultivadas mediante diversas técnicas de deposición química de vapor , y la temperatura de transición más alta informada (hasta 2009) es11,4 K . [41] [42] (Véase también Superconductor covalente n.° Diamante )

Se observaron propiedades magnéticas poco comunes (estado de vidrio de espín) en nanocristales de diamante intercalados con potasio. [43] A diferencia del material anfitrión paramagnético, las mediciones de susceptibilidad magnética del nanodiamante intercalado revelaron un comportamiento ferromagnético distinto en5 K. Esto es esencialmente diferente de los resultados de la intercalación de potasio en grafito o fulereno C60, y muestra que el enlace sp3 promueve el ordenamiento magnético en el carbono. Las mediciones presentaron la primera evidencia experimental del estado de vidrio de espín inducido por intercalación en un sistema de diamante nanocristalino.

Conductividad térmica

A diferencia de la mayoría de los aislantes eléctricos, el diamante es un buen conductor de calor debido al fuerte enlace covalente y la baja dispersión de fonones . La conductividad térmica del diamante natural se midió en aproximadamente 2200 W/(m·K), que es cinco veces más que la plata , el metal más conductor térmico. El diamante sintético monocristalino enriquecido al 99,9% del isótopo 12 C tuvo la conductividad térmica más alta de cualquier sólido conocido a temperatura ambiente: 3320 W/(m·K), aunque existen informes de conductividad térmica superior tanto en nanotubos de carbono como en grafeno. [44] [45] Debido a que el diamante tiene una conductancia térmica tan alta, ya se usa en la fabricación de semiconductores para evitar que el silicio y otros materiales semiconductores se sobrecalienten. A temperaturas más bajas, la conductividad se vuelve aún mejor y alcanza los 41 000 W/(m·K) a 104 K (−169 °C; −272 °F) ( diamante enriquecido con 12 C). [45]

La alta conductividad térmica de los diamantes es utilizada por joyeros y gemólogos que pueden emplear una sonda térmica electrónica para distinguir los diamantes de sus imitaciones. Estas sondas consisten en un par de termistores alimentados por batería montados en una punta fina de cobre. Un termistor funciona como un dispositivo de calentamiento mientras que el otro mide la temperatura de la punta de cobre: ​​si la piedra que se está probando es un diamante, conducirá la energía térmica de la punta lo suficientemente rápido como para producir una caída de temperatura medible. Esta prueba demora aproximadamente de 2 a 3 segundos. Sin embargo, las sondas más antiguas serán engañadas por la moissanita , una forma mineral cristalina de carburo de silicio introducida en 1998 como una alternativa a los diamantes, que tiene una conductividad térmica similar. [8] [31]

Tecnológicamente, la alta conductividad térmica del diamante se utiliza para la eliminación eficiente del calor en la electrónica de potencia de alta gama. El diamante es especialmente atractivo en situaciones en las que no se puede tolerar la conductividad eléctrica del material disipador de calor, por ejemplo, para la gestión térmica de microbobinas de radiofrecuencia ( RF ) de alta potencia que se utilizan para producir campos de RF fuertes y locales. [46]

Estabilidad térmica

El diamante y el grafito son dos alótropos del carbono: formas puras del mismo elemento que difieren en estructura.

Si se calienta a más de 700 °C (1292 °F) en el aire, el diamante, al ser una forma de carbono, se oxida y su superficie se ennegrece, pero la superficie se puede restaurar puliéndola nuevamente. [47] En ausencia de oxígeno, por ejemplo, en un flujo de gas argón de alta pureza , el diamante se puede calentar hasta aproximadamente1700 °C . [48] [49] A alta presión (~20 GPa (2.900.000 psi)) el diamante se puede calentar hasta 2.500 °C (4.530 °F), [50] y un informe publicado en 2009 sugiere que el diamante puede soportar temperaturas de 3.000 °C (5.430 °F) y superiores. [51]

Los diamantes son cristales de carbono que se forman a altas temperaturas y presiones extremas, como en las profundidades de la Tierra. A la presión del aire en la superficie (una atmósfera), los diamantes no son tan estables como el grafito , por lo que la descomposición del diamante es termodinámicamente favorable (δ H  = −2 kJ/mol ). [22] Sin embargo, debido a una barrera de energía cinética muy grande, los diamantes son metaestables ; no se desintegrarán en grafito en condiciones normales . [22]

Véase también

Referencias

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