¿Se puede fabricar un material más duro que el diamante?

Probablemente aprendiste en la escuela que el diamante es el material más duro que existe. Efectivamente, este material ha ostentado el récord de dureza durante tanto tiempo que se ha convertido en referencia para medir la propia dureza de otros materiales: el test de Vickers utiliza una pirámide de diamante para comprobar cuánto raya cada material. Pero, como la historia de la ciencia demuestra constantemente, los récords no son más que motivaciones para batirlos.

Por eso, la comunidad científica lleva mucho tiempo interesada en fabricar un material que sea capaz de rayar al diamante. La resistencia al rayado es precisamente lo que indica la dureza de un material. Los materiales más duros pueden rayar a los materiales más blandos, pero no al revés: si intentas rayar un diamante con un trozo de talco, el diamante no se inmutará, y será el talco (que es mucho más blando) el que acabe rayado. Según nos contaban en la escuela, el diamante es capaz de rayar cualquier cosa, y nada puede rayar el diamante.

Este material debe su dureza a su estructura cristalina. El diamante está compuesto exclusivamente de átomos de carbono, que están dispuestos en una red cúbica con un átomo en cada vértice y otro en el centro de cada cara. Esta estructura es difícil de romper, de ahí la dureza. Por eso uno de los primeros candidatos a material más duro que el diamante fue el nitruro de boro cúbico, una red igual que la del diamante pero con átomos alternos de boro y nitrógeno.

Mismos átomos, diferentes propiedades

Efectivamente, el nitruro de boro cúbico es muy duro y se utiliza en las industrias automovilística y espacial. Pero no llega a la dureza del diamante. Si se cogen los mismos átomos y se disponen en forma de hexágono (más precisamente, de cristal de wurtzita) también se crea un material muy duro: hasta un 18 % más duro que el diamante, según las simulaciones teóricas. El problema es que este material es tan difícil de encontrar y producir que es complicado acumular la cantidad suficiente para contrastar esta cifra experimentalmente.

Los átomos de carbono son mucho más fáciles de encontrar y manipular, y además ofrecen muchísimas posibilidades en cuanto a su disposición. La configuración de sus electrones permite combinar unos átomos con otros de muchísimas maneras diferentes, todas ellas estables, que dan lugar a materiales con propiedades muy variadas. Por ejemplo, el grafito es opaco, blando y buen conductor de la electricidad, el diamante es transparente y muy duro pero no conduce la electricidad, y las buckybolas y nanotubos de carbono son también muy duros y superconductores.

Todos estos materiales están compuestos exclusivamente de átomos de carbono, y lo único que varía es cómo están dispuestos (es decir, todos son alótropos del carbono). Por eso se pueden transformar unos en otros. Por ejemplo, si se somete al grafito a una gran presión, se acabará convirtiendo en diamante. De manera más general, se pueden crear nuevos alótropos modificando la temperatura o la presión.

Bajo presión

Fue así como, en el año 2011, se creó el diamante amorfo. A base de someter a unas minúsculas esferas de carbono a una presión 400 000 veces mayor que la atmosférica, un equipo científico consiguió modificar la configuración de los átomos de carbono y disponerlos en una estructura interna muy irregular. Fabricaron así el diamante amorfo, que tiene una dureza comparable a la del carbono y es capaz de aguantar una diferencia de presión nunca vista entre un lado y otro del material.

Es más, la resistencia del diamante amorfo no depende de la dirección en la que se deforme, algo que sí ocurre con el diamante cristalino. Su estructura tiene planos más débiles que pueden ser limitantes, pero la versión amorfa es igual de resistente en cualquier dirección. Esta característica sería una ventaja a la hora de diseñar herramientas de corte o piezas resistentes al desgaste para utilizar en el transporte.

Pero el diamante amorfo tiene un inconveniente importante para este tipo de aplicaciones: si se deja de someter a una grandísima presión, vuelve al estado de partida y pierde su extrema dureza. Por contrapartida, es un material singular en cuanto a que su dureza varía con la presión aplicada, si bien la mayoría de aplicaciones requerirían que fuera muy duro incluso a presiones bajas.

Nuevo récord

El hito de conseguir un material más duro que el diamante a presión atmosférica se logró el año pasado. Se trata del carbono amorfo AM-III, que además es el material amorfo más resistente conocido. Se fabricó a partir de unas moléculas de 60 átomos de carbono en forma de balón de fútbol llamadas buckybolas. Al someterlas a una presión de 250 000 veces la atmosférica, el equipo investigador obtuvo una estructura semejante al vidrio: una estructura amorfa.

Al contrario que el diamante amorfo, una vez creado, el AM-III mantiene su dureza cuando recupera la presión atmosférica. Por eso es mucho más prometedor en cuanto a las aplicaciones. Se plantea que podría servir para fabricar ventanas antibalas mucho más firmes que las actuales. Además, es un buen semiconductor, de modo que podría ser útil para generar energía solar.

Con todo, aún falta para que el AM-III se fabrique de manera masiva. Probablemente será caro, al menos inicialmente, aunque quizá su gran potencial estimule su generalización en la industria. Pero, sobre todo, el AM-III establece un nuevo récord de dureza y, con él, una motivación renovada para batirlo.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Aunque muchas veces se utilizan como sinónimos, el vidrio y el cristal son materiales diferentes. El cristal tiene una estructura interna ordenada en forma de red regular, mientras que el vidrio es amorfo, es decir, su estructura interna es irregular.
• La dureza y la resistencia de un material no tienen por qué ir de la mano. Por ejemplo, el diamante cristalino es muy duro (casi ningún otro material es capaz de rayarlo) pero no muy resistente a la deformación, ya que se rompe con facilidad.

REFERENCIAS (MLA):

• Zhang, Shuangshuang et al. “Discovery Of Carbon-Based Strongest And Hardest Amorphous Material”. National Science Review, vol 9, no. 1, 2021. Oxford University Press (OUP),https://doi.org/10.1093/nsr/nwab140.
• Lin, Yu et al. “Amorphous Diamond: A High-Pressure Superhard Carbon Allotrope”. Physical Review Letters, vol 107, no. 17, 2011. American Physical Society (APS),https://doi.org/10.1103/physrevlett.107.175504.