Ciencia

¿Por qué el grafito se convierte en diamante?

Investigadores han logrado dar respuesta a una pregunta que traía de cabeza a los científicos

25.02.2017 | 12:12
Grafito y diamante.

Investigadores finalmente han respondido a una pregunta que ha eludido a los científicos durante años, en relación a la conversión del grafito a diamente cuando se expone a presiones altas. ¿Por qué el grafito se convierte en diamante hexagonal (también llamado lonsdaleita) y no el diamante cúbico más familiar, como predijo la teoría? La respuesta se reduce en gran medida a una cuestión de velocidad, o en términos de química, la cinética de reacción.

Utilizando un nuevo tipo de simulación, los investigadores identificaron las vías de menor energía en la transición del grafito al diamante y encontraron que la transición al diamante hexagonal es aproximadamente 40 veces más rápida que la transición al diamante cúbico. Incluso cuando el diamante cúbico comienza a formarse, una gran cantidad de diamante hexagonal todavía está mezclada.

Los investigadores, Yao-Ping Xie, Xiao-Jie Zhang y Zhi-Pan Liu de la Universidad de Fudan y la Universidad de Shanghai en Shanghai, China, han publicado su estudio sobre las nuevas simulaciones de la transición de grafito a diamante en un reciente número del Journal of the American Chemical Society.

"Este trabajo resuelve el viejo rompecabezas de por qué el diamante hexagonal se produce preferentemente a partir de grafito en lugar del diamante cúbico al inicio de la formación del diamante", dijo Liu a Phys.org. "Considerando que el grafito a diamante es un prototipo de sólido a sólido de transición, el conocimiento adquirido de este trabajo debe beneficiar enormemente a la comprensión de la alta presión de la física sólida y la química".

El grafito, el diamante hexagonal y el diamante cúbico son todos los alótropos de carbono, lo que significa que están hechos de átomos de carbono que están dispuestos de diferentes maneras. El grafito consiste en capas apiladas de grafeno, cuyos átomos están dispuestos en una celosía tipo panal. Dado que los átomos de carbono en el grafeno no están totalmente unidos, el grafeno es suave y escamas fácilmente, por lo que es ideal para su uso como lápiz de plomo.

Átomos de carbono


Ambos tipos de diamante, por otro lado, constan de átomos de carbono que todos tienen el máximo de cuatro enlaces, lo que explica por qué el diamante es tan difícil. En el diamante cúbico (el tipo típicamente encontrado en la joyería), las capas están todas orientadas en la misma dirección. En el diamante hexagonal, las capas son orientadas alternativamente, dándole una simetría hexagonal.

Bajo altas presiones de más de 20 gigapascales (casi 200.000 veces la presión atmosférica), la teoría y el experimento coinciden en que el grafito se convierte en diamante cúbico, con algunos diamantes hexagonales mezclados. Pero bajo presiones de menos de 20 gigapascales, las simulaciones siempre han predicho que el diamante cúbico debe ser el producto preferido, en contraste con los experimentos.

Estas simulaciones se basan en la predicción de que, a estas presiones, se requiere menos energía para formar el núcleo de núcleo de diamante cúbico o núcleo -el punto de partida del crecimiento del diamante- que formar el núcleo de diamante hexagonal. Puesto que la formación de este núcleo es el paso más energético de todo el proceso, se deduce que la formación de diamante cúbico debe ser más termodinámicamente favorable que el diamante hexagonal.

Pero un inconveniente importante de estas simulaciones es que no tienen en cuenta las interfaces entre el grafito y los núcleos de diamante: un desajuste de red entre las dos superficies puede inducir una energía de deformación que puede interferir con la estabilidad del diamante en crecimiento.

Utilizando una nueva simulación llamada caminar superficial estocástico, los investigadores del nuevo estudio podrían explorar más a fondo todas las interfaces posibles e identificar siete de ellas que corresponden a las estructuras intermedias de menor energía en la transición de grafito a diamante.

En general, los resultados muestran que la interfase entre el grafito y el núcleo de diamante hexagonal es menos tenso y más estable que la interfaz con el núcleo de diamante cúbico. Contabilizar la estabilidad de estas interfaces puede finalmente explicar por qué el diamante hexagonal se forma mucho más fácilmente y rápidamente que el diamante cúbico a presiones moderadas.

Los investigadores añadieron que, aunque el diamante cúbico puede parecer más deseable que el diamante hexagonal, ambos materiales tienen sus ventajas.

"Aunque el diamante cúbico es familiar en la vida cotidiana y es un material muy útil, el diamante hexagonal también podría ser muy útil", dijo Liu. Si bien el diamante hexagonal (lonsdaleita) se puede encontrar en meteoritos, la producción de grandes cristales hexagonales de diamante no se ha logrado en el experimento. Por lo tanto, se esperaría que los grandes los cristales hexagonales de diamante, si se producen, serían aún más preciosos que el diamante cúbico".

En el futuro, los investigadores están planeando mejorar aún más las simulaciones mediante la incorporación de técnicas de redes neuronales, así como mediante el uso de grandes datos.

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