Cómo «mejorar» un diamante

Todos hemos oído decir alguna vez que el diamante es el material más duro que nos ofrece la naturaleza. Es más, los diamantes tienen fama de ser un material tan duro que mucha gente se sorprende cuando se entera de que se pueden romper en mil pedazos con un simple martillazo y que el único desperfecto que sufrirá el martillo tras el impacto será una pequeña hendidura en su superficie metálica.

Aunque a primera vista puede parecer poco intuitivo que una sustancia tan dura como el diamante sea a su vez tan delicada, conviene tener en cuenta que la dureza es sólo una de las muchas propiedades mecánicas que determinan cómo se comporta un material. De hecho, ahora sabemos que las propiedades de los diamantes se pueden modificar para convertirlos en materiales aún más increíbles.

La definición de dureza

En esta sección hemos hablado los diamantes en otras ocasiones, como en este artículo o este otro. En muy resumidas cuentas, los diamantes son cristales formados por átomos de carbono que no sólo unidos mediante enlaces extremadamente fuertes, sino que, además, están ordenados siguiendo un patrón tridimensional muy resistente en forma de «pirámide». Esta configuración permite que los átomos de carbono opongan una gran resistencia cuando un esfuerzo los intenta mover de su sitio o separar, lo que, en nuestro mundo macroscópico, se traduce en una dureza tremenda.

Ahora bien, la definición de dureza es la resistencia que ofrece un material a ser rayado. En este contexto, una raya no es más que una pequeña hendidura o surco que se forma cuando un objeto puntiagudo penetra en una superficie y aparta hacia los lados el material que se cruza en su camino. Pero, claro, para que esto ocurra, el objeto puntiagudo debe estar compuesto por una sustancia que sea más dura que el material que intenta rayar. De lo contrario, la sustancia que compone el objeto puntiagudo será la que se deformará cuando entre en contacto con la superficie más dura.

Por tanto, cuando se dice que los diamantes son uno de los materiales más duros que se conocen, es porque existen muy pocas sustancias capaces de rayar su superficie y, al mismo tiempo, pueden rayar casi cualquier otra sustancia con la que entren en contacto. De hecho, eso es precisamente lo que refleja la famosa escala de durezas de Mohs, en la que los minerales se ordenan en función de cuáles rayan a cuáles.

Sin embargo, esa misma rigidez que proporciona a los diamantes su gran dureza afecta negativamente a otra propiedad mecánica muy importante llamada tenacidad.

Dureza no implica tenacidad

La tenacidad de un material cuantifica cuánto se puede deformar antes de que empiecen a aparecer grietas en él. Por ejemplo, el vidrio es una sustancia muy dura porque pocos materiales cotidianos son capaces de rayar su superficie, pero, como su tenacidad es muy baja, se rompe repentinamente si se le da un golpe seco o se le apoya demasiado peso.

En el extremo opuesto de la balanza está el acero. Este material es muy tenaz porque, en lugar de estallar en mil pedazos de manera repentina cuando se aplica una fuerza sobre él, se deforma poco a poco a medida que supera sus límites elástico y plástico y sólo entonces desarrolla las grietas que provocan su ruptura. Pero, curiosamente, muchos aceros son lo bastante blandos como para que un trozo de vidrio los pueda rayar sin mucha dificultad.

La razón tras estos comportamientos tan distintos está en cómo están enlazados los átomos en cada sustancia.

Los átomos que componen los materiales duros suelen tener muy poca libertad de movimiento porque están unidos por enlaces muy fuertes. Por tanto, en cuanto actúa sobre ellos una fuerza lo bastante intensa como para separar sus átomos, el material cede de golpe y se rompe en mil pedazos. En cambio, los átomos de los materiales más blandos y tenaces están unidos por enlaces un poco más débiles que les permiten moverse y acomodarse acomodarse a la carga que los oprime. Como resultado, en lugar de romperse sin previo aviso, estos materiales empiezan a deformarse mucho antes de desarrollar grietas.

Por supuesto, los diamantes pertenecen al grupo de los materiales duros que ceden sin previo aviso. Este comportamiento que representa un problema en algunas industrias que usan diamantes como herramientas (para pulir y cortar o a modo de pequeños yunques con los que se someten otras sustancias a presiones muy altas) porque los hace propensos a desarrollar grietas que limitan su vida útil.

Aun así, es posible que este problema tan específico tenga los días contados: un estudio publicado recientemente afirma haber encontrado una manera de mejorar la tenacidad de los diamantes.

Mejorar un diamante

Mientras producían diamantes artificiales, los autores del estudio en cuestión notaron que las condiciones de presión bajo las que los cristalizaban afectaban al patrón que adoptaban sus átomos de carbono. Este detalle era muy relevante porque la forma en la que están ordenados los átomos en los cristales de los diamantes tiene una gran influencia sobre sus propiedades mecánicas.

Los diamantes que sintetizados a entre 18 y 25 gigapascales (GPa) consistían en una red homogénea de átomos de carbono que estaba repleta de maclas nanométricas. Las maclas son un tipo de defecto de las redes cristalinas que tiene lugar cuando dos cristales que están en contacto crecen en direcciones opuestas, pero, aunque se les llame «defectos», su presencia no tiene por qué provocar consecuencias negativas para el material. De hecho, las nanomaclas que contenían estos diamantes incrementaban ligeramente la dureza y la tenacidad de los cristales.

Pero lo realmente interesante ocurría cuando los diamantes artificiales se cristalizaban a presiones inferiores a los 18 GPa: en estas condiciones, entre su red cristalina aparecían unas capas muy finas en las que los átomos de carbono estaban ordenados siguiendo un patrón distinto al resto. Tras investigar las propiedades mecánicas de estos diamantes compuestos por capas de átomos de carbono con patrones diferentes, los investigadores descubrieron que su tenacidad era 5 veces superior a la de los diamantes artificiales corrientes.

Estos diamantes «mejorados» serían capaces de resistir esfuerzos mayores sin agrietarse, por lo que la aplicación más directa de este descubrimiento es la fabricación de herramientas con una vida útil más larga. Pero, además, este mismo tipo de modificaciones de la estructura cristalina se podrían llegar a replicar para mejorar las propiedades de otros materiales.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Dadas las limitaciones que tienen las herramientas de corte en algunas aplicaciones, se están investigando nuevos materiales que sustituyan a los diamantes como material abrasivo. Pese a todo, aún no se ha encontrado ninguna sustancia que pueda igualar la dureza del diamante.

REFERENCIAS (MLA):

• Yonghai Yue et al. “Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness”. Nature, volumen 582, pp. 370–374 (2020).