El interés que suscita la posible conversión del grafito de un lápiz en diamante recuerda al viejo sueño de los alquimistas por encontrar la piedra filosofal, aquella que pudiese convertir cualquier metal en oro. Ya sea oro o diamante, la búsqueda se dirige hacia materiales escasos y que, por su escasez, les hemos otorgado el mérito del valor y la belleza.
Los profesores de ciencias del colegio, para explicarnos la importancia que tiene el orden de los átomos en un material, suelen poner como ejemplo el diamante y el grafito. Ambos materiales están formados por las mismas piezas: exclusivamente átomos de carbono. En el caso del diamante, estos átomos están fuertemente unidos siguiendo un arreglo geométrico tridimensional conocido como red de diamante.
En cambio, el orden en el que los átomos de carbono se distribuyen en el grafito, se asemeja a un hojaldre. Los átomos de carbono se organizan en láminas planas unidas entre sí por fuerzas débiles y que se deslizan unas sobre otras con facilidad, motivo por el que se desgasta con el rozamiento y sirve para escribir. Tanto es así que las minas de grafito de los lápices tienen una pequeña parte de arcilla para conferirles dureza. Cuando escribimos con un lápiz estamos deshojando el grafito. Los trazos negros que dibujamos están compuestos por minúsculos pedazos de esas láminas.
El momento en que descubrimos que el orden de los átomos es tan importante, resulta revelador. Es muy representativo de cómo la ciencia actúa como un observador de sutilezas cuya finalidad es describir el mundo con detalle.
Como las piezas que componen el grafito y el diamante son las mismas, los científicos llevamos años investigando cómo convertir uno en otro. Esta transformación es posible, pero muy costosa.
El grafito es un material abundante. Se forma en depósitos carbonosos sedimentarios transformados por las condiciones ambientales de la corteza terrestre. El diamante es más escaso. Se forma a gran profundidad, en el manto terrestre, donde la temperatura y la presión son muy elevadas. El crecimiento de los diamantes tiene lugar en períodos entre 1.000 y 3.000 millones de años, lo que corresponde, aproximadamente, del 25 al 75% de la edad de la Tierra. Llegan a la superficie arrastrados desde el manto por el magma que emerge de las erupciones volcánicas profundas. También pueden formarse diamantes de pequeño tamaño en los cráteres provocados por el impacto de meteoritos. Antiguamente se creía que estos diamantes eran de origen extraterrestre, ya que presentan unas características particulares.
En 1967, gracias a muestras geológicas del cráter Barringer, originado tras el impacto del meteorito Canyon Diablo y ocurrido hace unos 50.000 años en el norte de Arizona, se identificó por primera vez un tipo de diamante con unas cualidades mecánicas superiores. Los investigadores lo llamaron lonsdaleíta en honor a la cristalógrafa Kathleen Lonsdale.
En 2014, un grupo de investigadores liderado por Péter Németh, de la Academia de Ciencias de Hungría, desvelaron cómo se formó y qué es realmente la lonsdaleíta. Según sus resultados, la lonsdaleíta es un diamante deforme que se produce bajo condiciones extremas puntuales, como las que se dan durante el impacto de un meteorito en la Tierra, en las que el cristal adquiere cierta plasticidad. Según publicaron en la revista Nature, la lonsdaleíta no sería otra cosa que una forma común de diamante con una estructura ligeramente‘aplastada’.
Estructura del diamante normal y de la lonsdaleíta
Los primeros diamantes sintéticos fueron obtenidos en 1953 por Erik Lundblad en los laboratorios de investigación de ASEA en Suecia. Para ello se requería someter al grafito a unas condiciones experimentales de unos 2.000 oC y aproximadamente 80.000 atmósferas de presión —el equivalente a tener encima una columna de 800 kilómetros de agua, cuando la profundidad máxima del océano es de 11 km—. La técnica no llegó a patentarse porque, aunque funcionaba, no se sabía muy bien cómo.1
En 1955 la General Electric comenzó a producir pequeños diamantes de ese modo. La producción mundial actual es tres veces mayor que la producción de diamantes extraídos de minas terrestres. Sin embargo, este proceso sintético es todavía demasiado costoso para ser competitivo.
En 2014, un equipo de investigación de la Universidad de Stanford, descubrió casualmente otro modo de sintetizar diamantes. Estaban investigando si añadiendo hidrógeno sobre láminas separadas de grafito (llamadas grafeno), colocadas en un sustrato de platino, lo transformaban de forma que se pudiese emplear en transistores. Esperaban encontrar un sustituto de alta eficiencia para el silicio. Sin embargo, descubrieron que lo que ocurría era que esas láminas de grafito comenzaban a enlazar formando diamantes.
A principios de 2017, investigadores de la Universidad de Shanghai, hicieron un valioso descubrimiento que probablemente marcará la deriva de los futuros intentos por convertir grafito en diamante de forma eficiente. Llegaron a la conclusión de que el problema de la síntesis de diamante es que los átomos de carbono tienen preferencia por enlazarse siguiendo un arreglo geométrico diferente al de los diamantes normales, formando cristales ‘aplastados’. Justamente, estos diamantes son idénticos a los que se hallaron en 1967 en el cráter Barringer de Arizona y que fueron denominados lonsdaleíta.
¿Por qué el grafito se convierte en lonsdaleíta y no en diamante normal? La respuesta se reduce en gran medida a una cuestión de tiempo o, en términos de química, la cinética de reacción. Los investigadores se encontraron con que la transición de grafito a lonsdaleíta es 40 veces más rápida que la transición a diamante normal. Incluso cuando pasa el tiempo suficiente y el diamante normal empieza a formarse, sigue acumulándose una gran cantidad de lonsdaleíta mezclada. Esto explica por qué con el impacto de un meteorito se forma principalmente lonsdaleíta y no diamante normal. Ahora ya sabemos que es una cuestión de tiempo.
Ilustración de Javier Pérez de Amézaga Tomás
Los materiales que abundan y nos rodean, como el grafito de la mina de un lápiz, con frecuencia pasan desapercibidos. La mirada del científico, aquella que pretende «entender con las luces del sentido común», nos recuerda que el grafito está hecho de lo mismo que el diamante, de átomos de carbono, pero colocados en una estructura menos cristalina, más desordenada y caótica. Si se quiere, menos divina y más humana. Gracias a ella, podemos emplearlo para la honrosa tarea de escribir y dibujar.
La diferencia entre un material y otro también la ilustra el lenguaje. Sus nombres son frecuentemente utilizados como recurso literario. La palabra diamante proviene del griego adamás, que significa infrangible, irrompible. En cambio, el término grafito proviene del griego graphein, que significa escribir. Cuando descubres que la diferencia entre uno y otro atiende a algo tan sutil como el orden de las piezas que los componen, las posibilidades de encontrar en ello la belleza se multiplican.
No quieras entenderme con las luces
del sentido común:
sé tu imprudente.
Cualquier ciencia requiere a sus audaces.
Puede que esté prendido en alfileres,
pero he cristalizado en lo que vivo:
el diamante infrangible de lo humano.2
[1] Manual de mineralogía. Basado en la obra de J.D. Dana. Cornelis Klein y Cornelius S. Hurlbut, JR. 4ª edición. Editorial Reverté S.A. pp. 383-385
[2] Extracto de Prendido en alfileres. Ánima mía, 2009. Carlos Marzal. Ed. Tusquets.