Efectivamente, un puñado de angstroms, y particularmente uno, es lo que marca la diferencia entre el diamante y el grafito que se usa como mina de los lápices. Pero empecemos por el principio.

Es comúnmente sabido que tanto el grafito como el diamante están formados por el mismo tipo de substancia: carbono cristalizado, y que las diferentes propiedades que presentan se deben a la diferente forma en que se produce dicha cristalización. Pero, en una primera impresión, no deja de ser sorprendente que una disposición diferente en la forma de ordenar los átomos, que por lo demás son intrínsecamente idénticos, produzcan unas diferencias de propiedades tan acusadas. Veámoslo con un poco más de detalle.

Los diamantes son conocidos desde la antigüedad. Eran piedras extremadamente duras que no podían ser rayadas por nada, ni por el metal más agudo. Estas piedras, por su parte, podían rayar cualquier cosa. Los griegos las llamaban adamantos, término derivado de una palabra que significa “indomable”.

En los siglos XVII y XVIII, en los inicios de la Química, los químicos sentían el deseo de conocer la composición de todas las cosas, diamantes incluidos. Estos, sin embargo, eran difíciles de analizar; primero porque no sólo no podían rayarse, sino que no los afectaba casi ningún producto químico y ni siquiera un calor considerable hacía mella en ellos. Y segundo, porque su elevado precio era un freno a la hora de someterlos a experimentos que eventualmente podían destruirlos. En 1771 el químico francés Pierre Joseph Macquer sometió uno a temperaturas cercanas a 1.000º C. En menos de una hora el diamante desapareció.

La cuestión era ¿se disipaba sin más el diamante de un modo misterioso, o ardía realmente como las demás cosas? En el segundo supuesto lógicamente necesitaría un suministro de aire. Se sometió a otro diamante a altas temperaturas, pero sin aire, y esta vez el diamante no desapareció. La conclusión fue que los diamantes arden en el aire como tantas cosas, con tal de calentarlos suficientemente. Por la misma época, Lavoisier demostró que la combustión ordinaria en el aire equivalía a la combinación con el oxígeno de la substancia quemada. La combustión la convertía en óxido, y si aparentaba desaparecer era porque el óxido era un vapor. Así pues, el óxido de diamante era un vapor.

Lavoisier, Macquer y otros quemaron un diamante bajo una campana de cristal. El diamante desapareció, pero el vapor de óxido de diamante estaba atrapado en la campana. Al estudiarlo resultó tener las mismas propiedades que el dióxido de carbono obtenido en la quema de carbón común. Era algo sorprendente dadas las dispares propiedades del grafito y el diamante, y durante algunos años se mantuvo la duda y la controversia. Pero finalmente fue evidente que, aunque pudiera ser sorprendente, el carbón, grafito y diamante estaban hechos de la misma cosa: carbono.

Calentando fuertemente un diamante, en ausencia de aire para que no ardiese, se vio que se transformaba efectivamente en grafito. Y, lógicamente, de inmediato surgió el interés en si era posible la transformación inversa: de grafito a diamante. Hubo varios intentos, pera tal cosa no pudo realizarse. Hoy sabemos que era completamente imposible conseguir tal cosa con la técnica disponible en el siglo XIX, pues se requiere no sólo muy altas temperaturas sino también muy altas presiones. Pero veamos algo más en detalle por qué esto es así.

El átomo de carbono tiene cuatro enlaces; esto es, puede unirse a cuatro átomos diferentes en cuatro direcciones distintas, como los vértices de un tetraedro. Normalmente al representar una cadena de átomos de carbono suele escribirse -C-C-C-C-C-, en línea recta. Pero sería más correcto escribirla en zigzag, puesto que los átomos se unen en un ángulo natural de 109’5º. Respetando este ángulo los átomos de carbono fácilmente se unen formando un hexágono denominado benceno.

El anillo de benceno es muy estable, debido a que es simétrico y además es perfectamente plano, por razones que requieren recurrir a la mecánica cuántica para explicarlas. No entraremos en ellas aquí, pero aproximadamente podemos decir que, a consecuencia de la planicie y simetría, todos los átomos de un anillo forman una especie de enlace metálico en el que comparten los electrones. Dado que los electrones se comportan también como ondas, podemos imaginar al anillo bencénico rodeado por una nube de electrones compartidos de sus átomos, cosa que contribuye a su estabilidad.

Puede observarse en la imagen que cada átomo de carbono del benceno tiene un enlace libre al que se ha unido un átomo de hidrógeno. Pero en lugar de hidrógeno, los anillos de benceno pueden unirse entre sí compartiendo este enlace libre. Cuando muchos anillos hacen esto conforman un mosaico de hexágonos en el que cada vértice está ocupado por un átomo de carbono. Estos mosaicos planos se apilan unos sobre otros, y permanecen unidos no por enlaces químicos sino por otras fuerzas mucho más débiles. Cada átomo de carbono en un hexágono está a 1’4 angstroms de su vecino (un angstrom es la cienmillonésima de un centímetro). Sin embargo, cada mosaico está a 3’4 angstroms del inmediatamente superior o inferior.

El grafito puro está formado por pilas de estos mosaicos. Cada capa mantiene su integridad, pero se deja exfoliar fácilmente de las capas contiguas. Por eso el grafito sirve para escribir y también como lubricante.

En el diamante los átomos de carbono tienen sus cuatro enlaces apuntando en cuatro direcciones, como en un tetraedro. En cada uno de estos enlaces se une otro átomo de carbono, con sus respectivos tres enlaces sobrantes, a cada uno de los cuales se une un nuevo átomo de carbono, y así sucesivamente. El resultado es una disposición cristalina perfectamente simétrica en tres dimensiones.

Eso significa que todos los átomos de carbono del diamante están sostenidos con fuerza pareja en cuatro direcciones diferentes. No hay átomo o grupo de átomos con propensión a separarse, a exfoliarse; antes al contrario, estos fuertes enlaces convierten al diamante en insólitamente duro y resistente. El diamante no sirve ni para escribir ni como lubricante.
Podemos hacernos la siguiente pregunta: si tenemos una gran cantidad de átomos de carbono y dejamos que se combinen ¿qué disposición adoptarán espontáneamente, la del grafito o la del diamante? Pues depende de las condiciones.

El anillo de benceno es tan estable que los átomos de carbono tenderán a formarlos. Mientras que los átomos de carbono en el anillo de benceno, como dijimos, se encuentran separados por 1’4 angstroms, los del diamante distan 1’5 angstroms; así pues, en la mayor parte de las situaciones se formará grafito. Sin embargo, el diamante tiene una densidad de 3’5 gramos por cm³, mientras que la del grafito sólo es de 2 gramos por cm³, debido a la «gran separación» de 3’4 angstroms entre mosaicos. En consecuencia, si los átomos de carbono son sometidos a una gran presión, la tendencia a agruparse en una forma que ocupe menos espacio será predominante y se formará diamante. Estas condiciones de elevadas presiones y también temperaturas, son las que se dan en las entrañas de la Tierra, que es donde se forman los diamantes.

Pero los diamantes también los encontramos en la superficie terrestre. Entonces ¿por qué los diamantes no se convierten espontáneamente en grafito tan pronto como disminuyó la presión? La respuesta es que esa sería su tendencia natural, pero los enlaces en la red diamantina son tan fuertes que la energía necesaria para romperlos es enorme. Si calentamos un diamante a unos 2.000º C (en ausencia de oxígeno, para evitar la combustión), los átomos quedan libres y formarán grafito. Para hacer lo inverso -convertir el grafito en diamante- no sólo es preciso utilizar temperaturas muy altas para desvincular los átomos, sino también presiones muy altas para convencerles de que deben adoptar la configuración más densa del diamante.

En 1955, científicos de la General Electric consiguieron formar los primeros diamantes sintéticos usando temperaturas de 2.500ºC y presiones superiores a 700 toneladas por cm². Pero el procedimiento no es rentable, puesto que es más costoso el procedimiento que los diamantes naturales.

 

Extractado del ensayo “Los gemelos inverosímiles”. – La tragedia de la Luna (Isaac Asimov)