El diamante es una de las formas cristalinas más notables del carbono. Su extraordinaria dureza, alta conductividad térmica, propiedades ópticas, estabilidad química y brillo característico surgen de la forma en que los átomos de carbono están organizados y unidos dentro del cristal. Aunque el diamante está compuesto químicamente por el elemento único carbono, la organización tridimensional de esos átomos produce una estructura altamente ordenada con propiedades geométricas, mecánicas y físicas distintivas.
La estructura cristalina del diamante es fundamentalmente diferente de la estructura en capas del grafito, a pesar de que ambos materiales están compuestos en su totalidad por carbono. En el diamante, los átomos de carbono están unidos mediante una red tridimensional continua de fuertes enlaces covalentes. Esta disposición produce un marco tetraédrico rígido que se extiende por todo el cristal.
La forma más común de diamante tiene lo que se conoce como estructura cristalina cúbica de diamante. Dentro de esta estructura, cada átomo de carbono está unido a cuatro átomos de carbono vecinos en una disposición tetraédrica. La red resultante puede describirse en términos de una celda unitaria repetitiva, planos de red, direcciones cristalográficas y caras cristalinas características.
La estructura interna del diamante también influye en la forma externa de los cristales naturales. Los diamantes en bruto desarrollan comúnmente formas octaédricas, octaédricas modificadas o macladas, mientras que las condiciones de crecimiento, las impurezas, los defectos, la temperatura, la presión y el entorno químico pueden producir cristales redondeados, alargados, fibrosos o irregulares.
Por lo tanto, comprender el diamante requiere observar dos conceptos relacionados pero distintos:
-
Estructura cristalina: describe cómo se organizan internamente los átomos de carbono.
-
Hábito cristalino: describe la forma externa característica en la que crece el cristal.
Juntos, estos conceptos explican gran parte de la notable geometría natural del diamante.
La estructura cristalina cúbica del diamante
La estructura cristalina más común del diamante se denomina estructura cúbica de diamante. Es una disposición tridimensional altamente ordenada de átomos de carbono derivada de la red cúbica centrada en las caras, o FCC.
A primera vista, los diagramas de la celda unitaria del diamante pueden parecer contener más átomos de los que realmente se asignan a una sola celda unitaria. Esto se debe a que algunos átomos que aparecen en los límites de la celda unitaria se comparten con las celdas unitarias vecinas.
La celda unitaria cúbica convencional del diamante contiene un total efectivo de ocho átomos de carbono.
Esta estructura puede visualizarse considerando una disposición FCC de puntos de red combinada con una segunda disposición equivalente desplazada a lo largo de la diagonal del cuerpo del cubo. Otra descripción útil es que cada punto de red está asociado con un par de átomos de carbono separados por una cuarta parte de la diagonal del cuerpo cúbico.
Esta combinación crea la característica red de unión tetraédrica del diamante.
Átomos de carbono y enlace tetraédrico
Cada átomo de carbono en el diamante está unido a cuatro átomos de carbono vecinos.
Estos cuatro enlaces apuntan hacia las esquinas de un tetraedro, produciendo una geometría de coordinación tetraédrica característica.
Esto significa que cada átomo de carbono tiene:
Cuatro vecinos de carbono más cercanos
y cada átomo vecino está conectado a través de un fuerte enlace covalente.
La disposición tetraédrica es una de las características definitorias del diamante.
El carbono en el diamante adopta una configuración de enlace hibridado sp³ aproximadamente. Cuatro orbitales de enlace equivalentes se extienden hacia afuera desde el átomo de carbono, formando los cuatro fuertes enlaces carbono-carbono necesarios para la red tridimensional.
Debido a que este enlace se extiende continuamente a través del cristal, el diamante no contiene moléculas separadas de la manera en que lo hacen muchos sólidos moleculares. En cambio, todo el cristal puede considerarse una red covalente interconectada gigante.
Este enlace extensivo es una de las razones principales de las excepcionales propiedades mecánicas del diamante.
La celda unitaria del diamante
Una celda unitaria es el bloque geométrico repetitivo más pequeño que puede trasladarse a través del espacio para reproducir la red cristalina.
Para el diamante, la celda unitaria convencional es cúbica.
El parámetro de red, comúnmente denotado por a, es aproximadamente:
a = 3.567 Å
o:
a = 0.3567 nm
Un angstrom es una diezmilmillonésima parte de un metro, lo que hace que las dimensiones de la celda unitaria del diamante sean extremadamente pequeñas.
Aunque un diagrama de la celda unitaria puede mostrar átomos en sus esquinas, centros de las caras y posiciones internas, esos átomos límite se comparten con las celdas vecinas.
Por ejemplo:
-
Cada átomo de esquina es compartido por ocho celdas unitarias vecinas.
-
Cada átomo centrado en una cara es compartido por dos celdas unitarias.
-
Los átomos situados completamente dentro de la celda unitaria pertenecen totalmente a esa celda unitaria.
Cuando se suman las contribuciones fraccionarias de todos estos átomos, la celda unitaria cúbica convencional del diamante contiene un total efectivo de ocho átomos de carbono.
La aparente discrepancia entre el número de átomos dibujados y el número que pertenece a la celda unitaria es, por lo tanto, una consecuencia de la forma en que las redes cristalinas se repiten a través del espacio.
Distancia al vecino más cercano
La distancia entre un átomo de carbono y uno de sus cuatro vecinos más cercanos está determinada por la constante de red.
Para la estructura cúbica de diamante, esta distancia es:
d = √3a / 4
Usar un parámetro de red de aproximadamente 3.567 Å da una distancia carbono-carbono al vecino más cercano de aproximadamente:
1.54 Å
o aproximadamente:
0.154 nm
Esta distancia representa la longitud del enlace entre átomos de carbono vecinos en la red de diamante.
El enlace carbono-carbono extraordinariamente fuerte a esta escala forma el marco microscópico responsable de muchas de las propiedades macroscópicas del diamante.
Por qué el diamante es tan fuerte
Las extraordinarias propiedades mecánicas del diamante se originan en su disposición atómica.
Cada átomo de carbono está conectado a cuatro átomos vecinos, y estos enlaces forman una red tridimensional continua. A diferencia de los materiales cuyos átomos están dispuestos en capas débilmente unidas, el diamante distribuye un fuerte enlace covalente en las tres dimensiones.
Esta disposición contribuye a:
-
una dureza muy alta
-
una alta rigidez elástica
-
una fuerte resistencia a la deformación
-
una excepcional resistencia al desgaste
-
una alta resistencia a la compresión bajo condiciones apropiadas
-
una alta resistencia al ataque químico en muchos entornos ordinarios
La estructura cristalina también ayuda a explicar por qué el diamante se comporta de manera diferente al grafito.
El grafito consiste en átomos de carbono dispuestos en láminas planas fuertemente unidas. Las láminas se mantienen unidas de forma relativamente débil en comparación con los enlaces covalentes dentro de las láminas.
El diamante, por el contrario, tiene conexiones covalentes que se extienden en tres dimensiones.
Por lo tanto, el mismo elemento produce materiales drásticamente diferentes debido a las diferencias en la disposición atómica y el enlace.
Dos redes cúbicas centradas en las caras interpenetradas
Una de las formas estándar de visualizar la estructura cúbica de diamante es como dos redes cúbicas centradas en las caras interpenetradas.
La primera red FCC proporciona el marco cúbico básico. La segunda red equivalente se desplaza con respecto a la primera en una cuarta parte de la diagonal del cuerpo.
Este desplazamiento es esencial.
Una red FCC simple no produce por sí sola la estructura de diamante. El desplazamiento adicional entre las dos subredes crea las relaciones correctas de vecino más cercano tetraédrico.
Otra descripción trata la estructura como una sola red FCC con dos átomos de carbono asociados a cada punto de la red.
Ambas descripciones describen la misma disposición cristalina subyacente.
El papel de las direcciones cristalográficas
Los átomos en el diamante no están dispuestos al azar. Sus posiciones pueden describirse de acuerdo con las direcciones y planos cristalográficos.
Estas direcciones se representan comúnmente utilizando índices de Miller y notación cristalográfica relacionada.
Algunas direcciones importantes en el sistema cristalino cúbico incluyen:
-
<100>
-
<110>
-
<111>
La dirección <111> es particularmente importante cuando se habla de diamante debido a la forma en que las capas atómicas se apilan a lo largo de esta dirección.
Cuando la estructura cúbica de diamante se observa a lo largo de una dirección cristalográfica <111> adecuada, sus capas atómicas pueden interpretarse como siguiendo una secuencia de apilamiento repetitiva:
ABCABCABC...
Esta secuencia de apilamiento es una distinción estructural importante entre el diamante cúbico y el diamante hexagonal.
El diamante y la secuencia de apilamiento ABC
La secuencia ABC describe las posiciones relativas de los planos atómicos compactos.
Se puede imaginar que las capas ocupan tres posiciones sucesivas antes de que la disposición se repita:
A → B → C → A → B → C
Este apilamiento periódico contribuye al carácter cúbico de la estructura.
La disposición tridimensional no es simplemente una colección de capas independientes. La secuencia de apilamiento está conectada directamente a la red de enlace tetraédrica.
Pequeñas diferencias en cómo se apilan estos planos pueden conducir a una estructura cristalina diferente.
Diamante hexagonal y lonsdaleíta
El carbono también puede formar otra estructura relacionada con el diamante conocida como diamante hexagonal, a menudo llamada lonsdaleíta.
Mientras que el diamante cúbico se asocia con una secuencia de apilamiento tipo ABCABC, la forma hexagonal puede describirse mediante un patrón de apilamiento:
ABABAB...
El enlace sigue siendo fuertemente tetraédrico, pero la geometría y las relaciones de apilamiento difieren de las del diamante cúbico ordinario.
La lonsdaleíta es mucho menos común que el diamante cúbico.
Ha atraído un considerable interés científico porque los cambios en la secuencia de apilamiento pueden producir diferencias sustanciales en la simetría del cristal, el comportamiento de deformación y las propiedades materiales predichas.
Los materiales naturales y producidos experimentalmente descritos como diamante hexagonal también pueden contener complejidad estructural, fallas de apilamiento y mezclas de secuencias cúbicas y hexagonales. En consecuencia, la estructura real de algunas muestras puede ser más complicada que una red hexagonal ideal perfectamente ordenada.
Estructura cristalina frente a hábito cristalino
Es importante distinguir la estructura cristalina del hábito cristalino.
La estructura cristalina se refiere a la disposición interna de los átomos.
El hábito cristalino se refiere a la forma externa del cristal.
Dos cristales pueden tener la misma estructura cristalina interna básica mientras desarrollan diferentes formas externas debido a diferencias en:
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tasa de crecimiento
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temperatura
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presión
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entorno químico
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impurezas
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espacio disponible
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duración del crecimiento
-
defectos
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energías superficiales
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disolución o corrosión después del crecimiento
El diamante proporciona un excelente ejemplo de cómo interactúan la estructura microscópica y la morfología macroscópica.
Hábito cristalino del diamante
Los diamantes naturales ocurren en una variedad de hábitos cristalinos, pero los más familiares se basan en la geometría del sistema cristalino cúbico.
Las formas naturales más comunes incluyen:
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cristales octaédricos
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octaedros modificados
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cristales redondeados
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cristales maclados
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combinaciones de formas cristalinas
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formas cuboidales
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cristales alargados o irregulares
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agregados fibrosos
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agregados policristalinos
Las caras del cristal que se desarrollan con más fuerza están determinadas por las tasas relativas a las que crecen las diferentes superficies cristalográficas.
Una cara que crece lentamente puede permanecer prominente, mientras que una cara que crece rápidamente puede volverse menos visible o desaparecer a medida que avanza el crecimiento.
Por lo tanto, la forma final de un diamante natural registra algo sobre el entorno físico y químico en el que se desarrolló.
Cristales de diamante octaédricos
El octaedro es una de las formas cristalinas naturales más características del diamante.
Un octaedro consiste en ocho caras triangulares dispuestas alrededor de una región central.
Un diamante octaédrico bien desarrollado puede mostrar caras y bordes claramente definidos, produciendo una apariencia geométrica altamente simétrica.
Sin embargo, los diamantes octaédricos naturales pueden desviarse de una forma matemática ideal porque los cristales reales experimentan condiciones de crecimiento fluctuantes.
Por ejemplo, las superficies del cristal pueden volverse:
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redondeadas
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escalonadas
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grabadas
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irregulares
-
modificadas por caras de cristal adicionales
-
cubiertas por estructuras de crecimiento
El grado de nitidez y simetría puede, por tanto, variar considerablemente.
Cristales de diamante redondeados
No todos los diamantes desarrollan caras geométricas afiladas.
Algunos diamantes tienen superficies y bordes notablemente redondeados.
El redondeo puede resultar de una combinación de procesos de crecimiento y posterior modificación química de la superficie del cristal.
Un diamante puede desarrollar inicialmente caras de cristal relativamente bien definidas y posteriormente sufrir una disolución parcial o grabado en su entorno geológico.
A medida que el material se elimina preferencialmente de partes de la superficie, los bordes afilados pueden redondearse y las caras originalmente planas pueden desarrollar contornos curvos o irregulares.
En consecuencia, un diamante redondeado no representa necesariamente un cristal que originalmente creció sin caras bien definidas.
Caras de cristal y energía superficial
Las formas de las caras del cristal están fuertemente influenciadas por las características energéticas de diferentes superficies cristalográficas.
No todos los planos cristalinos posibles crecen a la misma velocidad.
Una superficie con condiciones de unión atómica favorables puede crecer relativamente rápido. Otra superficie puede crecer más lentamente y, por lo tanto, permanecer visible por un período más prolongado.
El hábito cristalino final es, por consiguiente, una competencia entre diferentes tasas de crecimiento.
En el diamante, esta relación puede producir una gama de formas derivadas de la simetría de la red cúbica.
Algunos diamantes muestran combinaciones de caras asociadas con:
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cubos
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octaedros
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formas dodecaédricas
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formas cúbicas más complejas
-
caras transicionales o modificadas
Estas combinaciones pueden crear geometrías externas notablemente intrincadas.
Trigones en superficies de diamante
Una de las características visualmente más distintivas encontradas en algunas superficies de diamante natural es el trigón.
Los trigones son características de grabado triangulares que pueden ocurrir en las caras de los cristales de diamante.
Están especialmente asociados con superficies octaédricas.
Un diamante expuesto a condiciones químicamente activas durante procesos geológicos puede sufrir una disolución parcial. El grabado resultante no necesariamente ataca toda la superficie de manera uniforme.
En cambio, las diferencias microscópicas en la orientación cristalográfica y la reactividad superficial pueden producir depresiones triangulares características.
Estas características pueden ser:
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claramente definidas
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poco profundas
-
profundas
-
positivas en relieve
-
negativas en relieve
-
distribuidas irregularmente a través de una cara de cristal
La orientación y apariencia de los trigones pueden proporcionar información sobre la historia cristalográfica y química de un diamante natural.
Trigones positivos y negativos
Los trigones pueden aparecer en diferentes formas dependiendo de cómo se haya modificado la superficie.
Una característica triangular puede aparecer como una depresión en la superficie de un cristal o, bajo diferentes circunstancias, como una estructura elevada o contrastante.
Su apariencia depende de la interacción entre el crecimiento del cristal y el posterior grabado químico.
Debido a que reflejan la orientación cristalográfica, los trigones no son meros patrones decorativos de superficie. Son manifestaciones de la simetría atómica subyacente del cristal.
Maclas: Cristales de diamante gemelos
Algunos diamantes se presentan como cristales maclados.
Un diamante maclado particularmente conocido se denomina macle.
La macla de cristales ocurre cuando dos porciones de un cristal comparten una relación cristalográfica específica en lugar de estar simplemente unidas al azar.
En el diamante, la macla comúnmente implica una relación asociada con un plano cristalográfico.
Las macles pueden tener formas aplanadas, triangulares o, de otro modo, distintivas, y pueden parecer muy diferentes de los octaedros de cristal único regulares.
La macla puede desarrollarse durante el crecimiento del cristal o como consecuencia de un reordenamiento estructural bajo condiciones geológicas.
La presencia de macla también afecta la forma en que el cristal responde al corte, el pulido, la deformación y la fractura.
Por qué es importante la macla en el diamante
La macla es importante no solo para la clasificación mineralógica, sino también para el procesamiento práctico del diamante en bruto.
Un límite de macla representa una discontinuidad estructural en la orientación ideal de la red cristalina.
Aunque la composición química sigue siendo carbono, el arreglo atómico cambia su orientación a través de la relación de macla.
Esto puede influir en:
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la estrategia de corte
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el comportamiento de pulido
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la tensión interna
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el comportamiento de fractura
-
las características ópticas
-
la forma final seleccionada por un cortador
la apariencia superficial
Por lo tanto, los planos de macla pueden tener consecuencias prácticas cuando un cristal en bruto se transforma en una gema pulida.
Formas cristalinas modificadas
Los diamantes naturales rara vez necesitan ajustarse perfectamente a una sola forma geométrica ideal.
Un cristal puede mostrar una combinación de diferentes caras cristalográficas.
Por ejemplo, un cristal octaédrico puede desarrollar caras adicionales que modifiquen su contorno.
Esto puede crear formas cada vez más complejas derivadas de la simetría cúbica subyacente.
Las posibles geometrías superficiales pueden incluir caras correspondientes a formas relacionadas con:
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planos tipo cubo
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planos octaédricos
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planos dodecaédricos
-
formas cúbicas modificadas de orden superior
Estas modificaciones ilustran la flexibilidad del crecimiento de los cristales a pesar de una estructura atómica altamente ordenada.
La red cristalina proporciona el marco de simetría, mientras que las condiciones ambientales determinan qué caras se vuelven prominentes.
Bordes redondeados y caras cristalinas indistintas
Algunos diamantes naturales tienen caras cristalinas pobremente definidas o casi irreconocibles.
Sus bordes pueden ser redondeados y sus superficies pueden aparecer lisas, opacas o irregulares.
Esto puede ocurrir cuando una modificación química prolongada elimina las características geométricas definidas que, de otro modo, revelarían el hábito cristalino original.
Por lo tanto, un diamante fuertemente alterado puede parecer muy diferente de un octaedro ideal de libro de texto.
La ausencia de caras geométricas obvias no significa que la estructura atómica esté desordenada.
El interior del diamante puede conservar una estructura cristalina altamente ordenada incluso cuando su exterior ha sido sustancialmente modificado.
Nyf: el revestimiento superficial de algunos diamantes
Algunos diamantes naturales se encuentran cubiertos por un material opaco, similar a una goma o a un revestimiento, descrito históricamente como nyf.
Este revestimiento puede ocultar la superficie del cristal subyacente y hacer que el diamante parezca menos transparente o menos facetado con nitidez.
La existencia de revestimientos superficiales demuestra una distinción importante entre un mineral y el entorno que lo rodea.
El cristal de carbono en sí mismo puede permanecer intacto bajo el revestimiento, mientras que los minerales, fluidos, productos de reacción u otros materiales se acumulan en la superficie externa.
Diamantes fibrosos y opacos
No todos los diamantes consisten en un solo cristal claro y transparente.
Algunos contienen abundantes inclusiones microscópicas o estructuras de crecimiento que les dan una apariencia fibrosa.
Estos diamantes pueden variar de translúcidos a opacos y pueden mostrar colores que incluyen:
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gris
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verde
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tonos amarronados
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blanco
-
combinaciones de varios colores
amarillo
La apariencia interna puede verse influenciada por inclusiones muy pequeñas, defectos, tensiones y diferencias en el crecimiento del cristal.
Algunos diamantes se describen como opacos cuando el material fibroso aparece dentro de un cristal anfitrión que, por lo demás, es relativamente claro.
Otros se describen como fibrosos cuando la estructura fibrosa se extiende por gran parte o la totalidad del cristal.
Inclusiones microscópicas en diamantes fibrosos
La apariencia inusual de los diamantes fibrosos suele estar asociada con inclusiones minerales o de fluidos muy pequeñas.
Estas inclusiones pueden ocurrir a escalas de aproximadamente unos pocos micrómetros.
Aunque cada inclusión puede ser microscópica, millones de tales características pueden afectar colectivamente a:
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la transparencia
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el color
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la dispersión de la luz
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la tenacidad
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la apariencia óptica
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la textura interna
Este es un poderoso ejemplo de cómo las características a nanoescala y microescala pueden tener consecuencias macroscópicas visibles.
Un diamante puede permanecer fundamentalmente cristalino mientras contiene suficiente material extraño o irregularidad estructural como para volverse visiblemente opaco.
Diamantes fibrosos cuboides
Los diamantes fibrosos exhiben con frecuencia formas que difieren del hábito octaédrico clásico.
Un hábito cuboide es particularmente característico de muchos diamantes fibrosos.
Esta morfología es significativa porque demuestra que el crecimiento del diamante no está intrínsecamente restringido a la forma octaédrica familiar.
Bajo diferentes condiciones químicas y termodinámicas, pueden predominar diferentes superficies de crecimiento cristalográfico.
Por lo tanto, el cristal resultante puede desarrollar superficies relativamente planas, curvas o irregulares asociadas con el crecimiento cuboide.
Zonificación del crecimiento en el diamante
El crecimiento del diamante puede ocurrir durante largos períodos geológicos y puede no proceder bajo condiciones constantes.
Como resultado, un solo cristal puede conservar un registro de los entornos de crecimiento cambiantes.
Los cambios en:
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la presión
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la temperatura
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la disponibilidad de carbono
-
la composición del fluido
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el estado de oxidación
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las concentraciones de oligoelementos
-
las concentraciones de impurezas
pueden alterar la tasa de crecimiento y la composición de diferentes porciones de un cristal.
Esto puede producir una zonificación del crecimiento.
Diferentes zonas de crecimiento pueden contener diferentes concentraciones de impurezas o defectos y, por lo tanto, pueden diferir en color, transparencia, tensión o comportamiento óptico.
Así, un solo diamante es capaz de preservar una historia compleja dentro de un mismo cristal.
Impurezas y estructura cristalina
Un diamante perfecto consistiría solo en átomos de carbono dispuestos en una red cúbica de diamante ideal.
Los diamantes naturales, sin embargo, casi siempre contienen algún grado de imperfección estructural o impureza química.
Átomos como el nitrógeno, el boro, el hidrógeno y otros oligoelementos pueden incorporarse al cristal.
Estas impurezas pueden ocupar diferentes posiciones estructurales y pueden interactuar con:
-
vacancias
-
dislocaciones
-
fallas de apilamiento
-
campos de tensión
-
otros átomos de impurezas
Tales defectos pueden modificar las propiedades físicas y ópticas del diamante.
Para los diamantes de calidad gema, estas diferencias pueden influir en:
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el color base
-
la transparencia
-
el comportamiento de absorción
-
los patrones de tensión interna
la fluorescencia
Por lo tanto, la estructura cristalina del diamante no debe pensarse solo como una red matemática perfecta. El diamante natural se entiende de manera más realista como una red ordenada que contiene poblaciones variables de defectos e impurezas.
Defectos cristalinos
Los cristales reales nunca son perfectamente ideales.
El diamante puede contener numerosos tipos de defectos cristalográficos, incluyendo:
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vacancias
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impurezas sustitucionales
-
defectos intersticiales
-
dislocaciones
-
fallas de apilamiento
-
defectos planares
-
límites de macla
-
imperfecciones relacionadas con el crecimiento
Una vacancia ocurre cuando un átomo de carbono está ausente de una posición que normalmente estaría ocupada.
Una impureza sustitucional ocurre cuando otro átomo ocupa un sitio de carbono.
Una dislocación representa una perturbación más extendida en la red cristalina.
Estos defectos pueden afectar tanto la apariencia del cristal como su comportamiento físico.
Color y estructura cristalina
El color del diamante está estrechamente relacionado con su estructura interna.
El diamante puro es intrínsecamente incoloro cuando contiene muy pocos defectos que absorban luz en el rango visible.
Sin embargo, los defectos estructurales y las impurezas traza pueden introducir estados electrónicos que absorben selectivamente porciones de luz visible.
Por ejemplo, los defectos relacionados con el nitrógeno pueden contribuir a la coloración amarilla, mientras que ciertas otras estructuras de defectos pueden producir colores marrón, rosa, rojo, azul, verde u otros.
Por lo tanto, el color no indica simplemente una diferencia en la composición química.
A menudo refleja diferencias sutiles en el entorno electrónico y cristalográfico dentro de la red de carbono.
Diamante policristalino
Algunos diamantes no son cristales individuales continuos.
En cambio, consisten en muchos cristales de diamante microscópicos que crecen juntos.
Estos materiales se denominan diamantes policristalinos.
En un diamante policristalino:
-
están presentes muchos cristalitos
-
cada cristalito tiene su propia orientación
-
existen límites entre los granos vecinos
-
el agregado se comporta de manera diferente a un gran cristal único
Por lo tanto, el diamante policristalino puede tener propiedades físicas y ópticas distintas a las de un diamante de cristal único transparente.
Agregados de diamante
A los agregados de diamante natural se les han dado varios nombres históricos según su apariencia y estructura interna.
Los términos que se han utilizado incluyen:
-
boart
-
ballas
-
framesita
-
stewartita
-
carbonado
Sin embargo, la terminología de clasificación para el diamante policristalino natural no es completamente uniforme, y los nombres históricos no siempre corresponden a categorías científicas claramente definidas.
El término "boart", por ejemplo, se ha utilizado tradicionalmente para ciertos materiales de diamante de menor calidad, no aptos para gemas, mientras que otros nombres describen texturas o formas de agregados particulares.
La caracterización moderna se basa cada vez más en propiedades estructurales y composicionales medibles, más que solo en la apariencia.
Carbonado
Una de las formas más inusuales de diamante natural es el carbonado.
El carbonado es una forma de diamante policristalino oscuro, generalmente negro, compuesto por muchos granos pequeños de diamante.
Su apariencia negra está asociada con su compleja estructura policristalina y la presencia de fases que no son de diamante, defectos y otras características microscópicas.
A diferencia de un cristal único transparente de calidad gema, el carbonado contiene un gran número de límites de cristalitos.
Estos límites y estructuras internas influyen en cómo la luz interactúa con el material.
Como resultado, el carbonado es generalmente opaco.
Por qué el carbonado puede ser más resistente que el diamante de cristal único
El diamante es extremadamente duro, pero la dureza y la tenacidad no son la misma propiedad.
La dureza describe la resistencia al rayado o a la indentación.
La tenacidad describe la capacidad de resistir el crecimiento de grietas y la fractura catastrófica.
Un solo cristal de diamante contiene direcciones cristalográficas preferidas y debilidades relacionadas con la exfoliación. Por lo tanto, una grieta que atraviesa un solo cristal puede propagarse eficientemente a lo largo de caminos favorables.
En un material policristalino, una grieta encuentra límites de grano y cambios en la orientación cristalográfica.
Estos límites pueden interferir con la propagación recta de la grieta.
En consecuencia, el carbonado puede exhibir una tenacidad inusual en comparación con el diamante convencional de cristal único, a pesar de estar hecho del mismo material fundamental.
Esta distinción es extremadamente importante para comprender el comportamiento mecánico del diamante.
Límites de grano en el diamante policristalino
Un límite de grano separa dos cristalitos de diamante con diferentes orientaciones cristalográficas.
En estos límites, el arreglo atómico difiere de la red repetitiva perfecta que se encuentra dentro de un grano de cristal ideal.
Los límites de grano pueden influir en:
-
la propagación de grietas
-
el transporte térmico
-
la dispersión óptica
-
la deformación mecánica
-
la reactividad química
-
el comportamiento eléctrico
En un agregado que contiene una enorme cantidad de granos pequeños, la cantidad total de material en los límites de grano puede llegar a ser significativa.
En consecuencia, el comportamiento de un diamante policristalino no siempre puede predecirse simplemente examinando las propiedades de un cristal único perfecto.
La diferencia entre el diamante de cristal único y el policristalino
Diamante de cristal único:
-
tiene una orientación cristalográfica continua
-
puede ser excepcionalmente claro
-
puede mostrar un comportamiento bien definido relacionado con la exfoliación
muestra fuertes propiedades direccionales
desarrolla caras cristalinas características
Diamante policristalino:
-
consiste en muchos cristalitos individuales
-
contiene límites de grano
-
puede ser opaco o translúcido
a menudo dispersa la luz fuertemente
puede exhibir una tenacidad y un comportamiento al desgaste distintivos
Ambos son diamante, pero sus microestructuras son sustancialmente diferentes.
Este es un principio fundamental en la ciencia de los materiales: las propiedades de un material dependen no solo de su composición química, sino también de su estructura a múltiples escalas de longitud.
Crecimiento del cristal de diamante
La forma final de un diamante depende fuertemente de cómo crece.
El crecimiento del diamante ocurre mediante la adición de átomos de carbono a una superficie cristalina existente.
Para un cristal estable, estos átomos deben incorporarse en las posiciones apropiadas dentro de la red.
La tasa de adhesión puede diferir entre las superficies cristalográficas.
En consecuencia, algunas superficies avanzan más rápidamente que otras.
Si una superficie particular crece rápidamente, puede encogerse en relación con el cristal general y eventualmente desaparecer.
Si otra superficie crece más lentamente, puede permanecer prominente.
Este proceso crea naturalmente caras cristalinas.
Condiciones que afectan el hábito del diamante
Varias variables ambientales pueden influir en la morfología del cristal de diamante.
Estas incluyen:
Presión
El diamante es termodinámicamente favorecido sobre el grafito a presiones suficientemente altas, y el régimen de presión influye en la estabilidad y el entorno de crecimiento del cristal.
Temperatura
La temperatura afecta la movilidad atómica, la cinética de reacción, la formación de defectos y las velocidades a las que se desarrollan las diferentes superficies cristalinas.
Entorno químico
Los fluidos y masas fundidas que contienen carbono pueden transportar material al cristal en crecimiento e influir en qué caras son favorecidas.
Impurezas
Los oligoelementos pueden alterar las tasas de crecimiento y las energías superficiales.
Sobresaturación
El grado en que el entorno de crecimiento es químicamente favorable para la formación de diamantes puede influir fuertemente en su morfología.
Duración del crecimiento
Los largos períodos de crecimiento y la modificación posterior pueden producir estructuras internas y externas complejas.
Crecimiento versus disolución
Un diamante natural puede experimentar tanto crecimiento como disolución durante su historia geológica.
El crecimiento añade material al cristal.
La disolución elimina material del cristal.
Estos procesos opuestos pueden producir morfologías complicadas.
Por ejemplo, un diamante puede crecer inicialmente como un octaedro, sufrir posteriormente un ataque químico (grabado) y finalmente emerger de su entorno geológico con caras redondeadas o parcialmente modificadas.
Por tanto, la forma bruta final no es necesariamente una representación directa de la forma de crecimiento original.
En cambio, puede representar los efectos combinados de múltiples etapas de la historia geológica.
Crecimiento octaédrico y crecimiento cuboide
Diferentes condiciones químicas pueden favorecer diferentes morfologías de diamante.
El crecimiento octaédrico está asociado con el desarrollo de caras triangulares características.
Bajo otras condiciones, los diamantes pueden desarrollar hábitos más cuboides o fibrosos.
Los mecanismos exactos son complejos porque el crecimiento del diamante implica la unión atómica, la química de superficies, la incorporación de impurezas, la composición de fluidos y efectos cinéticos.
Esto explica por qué los diamantes naturales muestran mucha más diversidad morfológica de lo que podría sugerir un simple modelo de libro de texto.
Grabado del diamante
El diamante es excepcionalmente resistente a muchas formas de ataque químico, pero no es completamente inmune a la alteración geológica.
Bajo condiciones suficientemente reactivas, ciertas superficies cristalinas pueden disolverse preferencialmente.
Este proceso se conoce como grabado (o ataque químico).
El grabado puede:
-
redondear los bordes de los cristales
-
profundizar las picaduras superficiales
-
crear características triangulares
-
modificar las caras existentes
-
exponer estructuras de crecimiento
-
eliminar material de orientaciones cristalográficas particulares
El resultado puede ser un registro intrincado de interacción química preservado en la superficie del diamante en bruto.
Características superficiales como registro geológico
Un diamante en bruto puede preservar evidencia de su historia geológica.
Sus características externas pueden registrar:
-
períodos de crecimiento cristalino
-
cambios en la química de los fluidos
-
episodios de disolución
-
deformación
-
maclas
-
interacciones con minerales circundantes
-
cambios en la presión y la temperatura
Sus características internas pueden preservar información adicional en forma de:
-
inclusiones
-
zonas de crecimiento
-
patrones de tensión
-
dislocaciones
-
inclusiones minerales
-
defectos microscópicos
centros de color
En este sentido, un diamante puede considerarse un archivo geológico.
Simetría cristalina
La estructura cúbica del diamante le confiere un alto grado de simetría.
Esta simetría se refleja tanto en su disposición atómica interna como en muchas de sus formas cristalinas externas.
Sin embargo, los diamantes naturales pueden apartarse de la simetría ideal debido a:
-
crecimiento desigual
-
impurezas
-
maclas
-
tensión
-
inclusiones
-
grabado químico
-
daño mecánico
Por lo tanto, la simetría de la red ideal del diamante no debe confundirse con la perfecta simetría geométrica de cada cristal de diamante natural.
Un espécimen natural puede ser internamente cúbico en estructura, mientras que externamente puede ser redondeado, distorsionado, maclado o irregular.
Planos cristalográficos y propiedades del diamante
Diferentes planos cristalográficos pueden tener diferentes disposiciones atómicas y energías superficiales.
Esto produce anisotropía en ciertas propiedades físicas.
Anisotropía significa que una propiedad depende de la dirección.
Ejemplos de propiedades en las que la dirección cristalográfica puede importar incluyen:
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comportamiento ante la fractura
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transporte térmico
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respuesta elástica
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comportamiento eléctrico en materiales ricos en defectos
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química de superficies
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tasa de crecimiento
Este comportamiento direccional es extremadamente importante en el corte de diamantes y en aplicaciones industriales.
Un tallador de diamantes debe comprender la relación entre la estructura interna del cristal y la forma pulida deseada.
Exfoliación y fractura
El diamante es famoso por su dureza, pero la dureza no significa que no pueda romperse.
El diamante tiene direcciones cristalográficamente favorecidas a lo largo de las cuales puede dividirse más fácilmente que en otras.
Este comportamiento está relacionado con la disposición de los enlaces atómicos y la energía de los planos del cristal.
Por tanto, un tallador de diamantes experto estudia cuidadosamente la piedra en bruto antes de decidir dónde y cómo dividirla.
El objetivo es maximizar el material acabado utilizable mientras se controla el riesgo de fractura no deseada.
La estructura del cristal está, por tanto, directamente conectada con la transformación del diamante en bruto en una gema pulida.
Por qué la estructura cristalina importa en el corte de diamantes
El corte de un diamante es un ejercicio que consiste en trabajar con su estructura cristalina en lugar de ignorarla.
El tallador debe considerar:
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orientación del cristal
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comportamiento de exfoliación y fractura
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inclusiones
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tensión
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estructuras de crecimiento
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maclas
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posibles direcciones de pulido
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forma terminada deseada
Un diamante en bruto que parece ser relativamente grande y simple puede contener estructuras internas que influyen drásticamente en la estrategia de corte más segura y eficiente.
Comprender la cristalografía ayuda a explicar por qué dos diamantes en bruto de tamaño similar pueden requerir enfoques de corte completamente diferentes.
Estructura cristalina y comportamiento óptico
Las características ópticas del diamante también están estrechamente relacionadas con su estructura atómica.
La red cristalina altamente ordenada permite que la luz viaje a través del diamante transparente con una absorción relativamente baja en porciones importantes del espectro visible.
Sin embargo, las impurezas y los defectos pueden introducir interacciones adicionales con la luz.
Estas pueden crear:
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color de cuerpo
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fluorescencia
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características de absorción
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dispersión interna
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efectos ópticos relacionados con la tensión
El notable brillo de un diamante pulido es, por tanto, el resultado de varios factores que trabajan conjuntamente:
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transparencia del material
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índice de refracción
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dispersión
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estructura interna
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geometría del corte
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calidad de la superficie
La estructura cristalina proporciona la base material para estas propiedades ópticas.
El diamante como red de carbono tridimensional
Una de las mejores formas de entender el diamante es dejar de pensar en él simplemente como "átomos de carbono en un cubo".
La red del diamante es en realidad una red tridimensional continua de átomos de carbono unidos tetraédricamente.
Cada átomo de carbono contribuye al armazón.
No existe ninguna unidad molecular independiente que pueda eliminarse sin alterar la estructura circundante.
El resultado es un material cuya arquitectura microscópica se extiende por todo el cristal.
Esta red continua explica por qué el diamante se comporta de manera fundamentalmente distinta a los materiales de carbono con estructuras moleculares, estratificadas o menos fuertemente conectadas.
De la escala atómica a la escala cristalina
El diamante demuestra una conexión notable entre escalas.
A escala atómica:
Los átomos de carbono están conectados por fuertes enlaces covalentes.
A escala de red cristalina:
Estos enlaces forman una red tetraédrica periódica.
A escala microscópica:
Los defectos, inclusiones, límites de grano y sectores de crecimiento modifican la estructura ideal.
A escala macroscópica:
El cristal desarrolla caras reconocibles, hábitos, colores, transparencia, dureza y comportamiento ante la fractura.
A escala de gema:
El corte y el pulido transforman el cristal en bruto en una estructura óptica precisa diseñada para interactuar con la luz.
Estos niveles están interconectados.
Un cambio en una escala estructural puede influir en el comportamiento en otra.
El diamante natural como un sistema cristalino complejo
Aunque el diamante suele representarse mediante un diagrama simple que muestra átomos de carbono conectados en una red tetraédrica perfecta, los diamantes naturales son mucho más complicados.
Un solo cristal puede contener:
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múltiples etapas de crecimiento
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diferentes concentraciones de impurezas
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zonificación interna
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tensión
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dislocaciones
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inclusiones
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fracturas microscópicas
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centros de color
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defectos de crecimiento
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superficies grabadas
Por lo tanto, el diamante natural no debe verse como un bloque de carbono perfectamente uniforme.
En cambio, es un cristal altamente ordenado que puede contener una compleja historia de modificaciones estructurales.
La estructura cristalina del diamante y su identidad única
La identidad del diamante como mineral depende fundamentalmente de su estructura.
El diamante y el grafito son ambos carbono, pero son materiales distintos porque sus átomos están dispuestos y enlazados de manera diferente.
Del mismo modo, el diamante cúbico y el diamante hexagonal representan diferentes disposiciones estructurales del mismo elemento.
Este es un concepto importante en mineralogía y ciencia de materiales:
La composición química por sí sola no siempre determina la identidad o las propiedades del material.
La disposición atómica importa tanto como aquella.
El comportamiento del diamante es, por lo tanto, una consecuencia directa de la interacción entre:
composición + enlace + estructura cristalina + defectos + microestructura.
Resumen de la estructura cristalina del diamante
La forma más común de diamante tiene la estructura cristalina cúbica del diamante.
Sus principales características estructurales incluyen:
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un sistema cristalino cúbico
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cuatro vecinos de carbono más cercanos para cada átomo de carbono
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geometría de enlace tetraédrico
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una celda unidad cúbica convencional que contiene ocho átomos de carbono
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un parámetro de red de aproximadamente 3,567 Å
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una distancia al vecino más cercano de aproximadamente 1,54 Å
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una relación de apilamiento ABCABC a lo largo de la dirección de empaquetamiento compacto relevante
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fuertes enlaces covalentes tridimensionales
una red de carbono tridimensional repetitiva
El diamante también puede presentarse en formas estructurales menos comunes, incluido el diamante hexagonal o lonsdaleíta.
Su hábito externo puede incluir formas octaédricas, redondeadas, cuboides, macladas, fibrosas y policristalinas.
Resumen del hábito cristalino del diamante
Los hábitos de diamante natural más comunes incluyen:
Octaédrico:
Ocho caras triangulares que producen una de las formas de diamante más características.
Maclado o macla:
Dos o más porciones de cristal cristalográficamente relacionadas que forman una morfología característica aplanada o triangular.
Redondeado:
Caras y bordes de cristal modificados a través del crecimiento y la disolución química.
Cuboide:
Una forma particularmente asociada con algunos diamantes fibrosos.
Fibroso:
Diamante que contiene abundantes estructuras de crecimiento microscópicas e inclusiones, a menudo produciendo material translúcido u opaco.
Policristalino:
Agregados que consisten en numerosos granos de diamante microscópicos con diferentes orientaciones.
Carbonado:
Un agregado de diamante policristalino negro particularmente distintivo con una microestructura compleja.
El significado más profundo de la estructura cristalina del diamante
La reputación del diamante como el mineral natural más duro es solo una consecuencia de su estructura.
Su red cristalina también influye en su:
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conductividad térmica
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transparencia óptica
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comportamiento refractivo
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estabilidad química
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propiedades elásticas
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características de fractura
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comportamiento eléctrico
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respuesta a impurezas
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química de superficies
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comportamiento al corte
La misma red tetraédrica de carbono que produce una dureza extrema también le da al diamante un conjunto único de características térmicas y ópticas.
Al mismo tiempo, las imperfecciones en esa red pueden crear propiedades completamente diferentes.
Los defectos relacionados con el nitrógeno pueden influir en el color. El boro puede influir en el comportamiento eléctrico y producir una coloración azul. Las vacantes y otros defectos pueden crear centros ópticos importantes. Los límites de grano pueden alterar fundamentalmente cómo responde el material mecánica y térmicamente.
Esto hace que el diamante sea mucho más que una simple disposición de átomos de carbono.
Es un material cristalino altamente ordenado cuyas propiedades surgen de las interacciones entre átomos, enlaces, geometría de la red, defectos, superficies y microestructura a mayor escala.
Conclusión
La estructura cristalina del diamante es el fundamento de sus extraordinarias propiedades.
En su forma más común, el diamante consiste en átomos de carbono dispuestos en la estructura cúbica del diamante, donde cada átomo de carbono está unido tetraédricamente a cuatro átomos de carbono vecinos. La red covalente tridimensional resultante forma una red excepcionalmente estable y rígida.
La celda unidad convencional del diamante es cúbica, con un parámetro de red de aproximadamente 3,567 Å y un total efectivo de ocho átomos de carbono. La separación carbono-carbono entre vecinos más cercanos es de aproximadamente 1,54 Å. El cristal puede entenderse como dos redes cúbicas centradas en las caras interpenetrantes desplazadas una respecto de la otra, produciendo la característica disposición de enlace tetraédrico.
La misma estructura cristalina subyacente da lugar a una notable variedad de hábitos externos. Los diamantes pueden presentarse como octaedros claramente definidos, cristales redondeados, maclas, formas cuboides, agregados fibrosos y materiales policristalinos complejos. Las características superficiales, como los trigones, pueden registrar episodios de grabado químico, mientras que las inclusiones, los defectos, la zonificación de crecimiento y los límites de grano preservan evidencia de las condiciones bajo las cuales el diamante se formó y evolucionó.
Aún más importante, el diamante demuestra que las propiedades del material están controladas no solo por la composición química, sino por la estructura atómica y la microestructura. El carbono se convierte en diamante porque sus átomos están conectados en una disposición tridimensional específica. Cambie esa disposición y puede resultar un material completamente diferente.
El notable viaje desde átomos de carbono separados por fracciones de nanómetro hasta un cristal de diamante natural visible en la mano es, por tanto, una historia de orden, simetría, enlaces, crecimiento, defectos e historia geológica.
El brillo de un diamante pulido puede ser lo que primero capta la atención, pero su extraordinario carácter comienza mucho más profundo: dentro de la propia red cristalina, donde cada átomo de carbono ocupa una posición dentro de una de las estructuras tridimensionales más notables de la naturaleza.