El carboni tipus diamant: un avenç en la ciència de materials

Carles Roca
2006 Revista de Física   unpublished
Introducció El diamant ha fascinat tothom des de temps immemo-rials. Jules Verne imaginava el centre de la Terra ar-rebossat de diamants. D'altra banda, Marilyn Monroe ens recordava que aquesta pedra preciosa és el millor amic de les dones. No és gens estrany que la humanitat hi somniï, ja que es tracta d'un amic molt fidel, amb una vida d'uns milions d'anys. Doncs bé, aquesta joia també ha aixecat passions entre els científics. A part de la seva bellesa única, el diamant destaca perquè
more » ... taca perquè reu-neix una sèrie de propietats molt especials, a saber: és el material més dur, amb major densitat atòmica, millor conductor tèrmic, amb altes estabilitats tèrmica i quími-ca, i amb unes propietats òptiques i electròniques força interessants. Mantinguem aquest conjunt de perles en el pensament. Quina deu ser la fórmula d'aquest fenomen de la na-tura? No parlem d'un diamant en brut, sinó d'un de perfecte, un cristall. Està fet de carboni, tal com desco-brí Lavoisier el 1772. Només un tipus d'element químic, només un tipus d'àtom. Però, com han d'estar ordenats aquests àtoms de carboni? Doncs ordenats segons la in-terposició de dues xarxes cristal·lines cúbiques. Un cop conegudes l'estructura i la composició d'aquest material , sembla senzill de fabricar. És cert això? Arribats a aquest punt, ens trobem amb una dificultat de grans proporcions. Entrant de ple en la física de l'estat sòlid, el carboni admet dues fases cristal·lines, que són el diamant i el gra-fit (figura 1). Una tercera fase en discòrdia és la polimè-rica, la qual dóna lloc als compostos orgànics. Aquesta varietat de fases, que s'anomena al·lotropia, constitueix la base de tot el que ve a continuació. Si bé el dia-mant és l'al·lòtrop més valuós del carboni, el grafit n'és la forma més comuna. Altra vegada desitgem el més difícil d'aconseguir, però molt més difícil! La recepta per sintetitzar diamant la trobem en els processos a alta pressió (desenes de milers d'atmosferes) i alta tempera-tura (milers de graus) duts a terme en el mantell terres-tre. Només cal reproduir, o bé aproximar-se, a aquestes condicions tan extremes per fer créixer diamant. El fet * Carles Corbella Roca (Barcelona, 1978) és doctor en Cièn-cies Físiques per la Universitat de Barcelona (UB) i i actualment treballa com a tècnic de recerca I3P en l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona, CSIC. (ccorbella@icmab.es). que el 90 % de la producció actual de diamant sigui de naturalesa sintètica ha confirmat que és una fita difícil d'aconseguir, però possible. Figura 1: Estructures cristal·lines del diamant i del grafit, juntament amb imatges dels materials que formen Tot i que consumim molt de grafit, bé com a llapis ja des de l'escola, bé com a elèctrode en reaccions elec-troquímiques, no ens parem a valorar-lo gaire. La seva aparença negra i tova és antagònica a la del diamant, que a més de bonic és fort i versàtil: serveix d'eina de tall, de recobriment abrasiu, de dispositiu òptic, d'anell de compromís i de molt més. De la mateixa manera que els alquimistes pretenien transformar plom en or, ara voldríem ser optimistes i esbrinar una fórmula de pas de grafit a diamant. Malauradament, la termodinàmica no juga en favor nostre. El grafit és l'al·lòtrop més estable del carboni a condicions ambientals, i per convertir-lo en diamant cal superar una barrera energètica molt gran. L'any 1971 Aisenberg i Chabot van produir un agre-gat de carboni en capa prima a partir del bombardeig d'un càtode de grafit amb un feix de ions molt energètics. Sense tractar-se de diamant, el dipòsit presentava unes propietats elèctriques i mecàniques similars. Després de molta feina al laboratori es comprovà que, en determi-nats experiments, aquest material es comportava com si fos diamant, però estructuralment no s'hi assemblava gens. No presentava cap traça de la perfecció cristal·lina exhibida ni pel diamant ni pel grafit. En comptes d'això, s'observava una distribució desordenada de carbonis: és
fatcat:6ecdwxjgmjdfbklxblhjkrqwky