¿Por qué el diamante es el material más duro del mundo si está hecho de carbono simple, como la mina de tu lápiz?

El diamante es un mineral de origen natural formado por carbono. En su estructura cristalina, cada átomo de carbono está rodeado por otros cuatro átomos de carbono, con los que se une mediante fuertes enlaces covalentes, considerados entre los enlaces químicos más resistentes que existen. Esta organización regular, simétrica y compacta da lugar a una red extremadamente estable, lo que convierte al diamante en el material más duro del mundo.

Además, es muy resistente a la mayoría de los productos químicos y presenta la mayor conductividad térmica de todos los materiales naturales conocidos. Por otro lado, también tiene propiedades ópticas muy destacadas, entre ellas un elevado índice de refracción, una fuerte dispersión de la luz y un brillo adamantino característico.

Diamante, el material más duro del mundo

Este material debe su dureza a su estructura cristalina. El diamante está formado exclusivamente por átomos de carbono, organizados en una red cúbica, con un átomo en cada vértice y otro en el centro de cada cara. Esta disposición tridimensional tan compacta y estable hace que sea extremadamente difícil de deformar o romper, lo que explica su gran dureza. Por este motivo, uno de los primeros candidatos a superar al diamante fue el nitruro de boro cúbico, una estructura muy similar a la del diamante, pero en la que los átomos de carbono se sustituyen por átomos alternos de boro y nitrógeno.

En efecto, el nitruro de boro cúbico es un material muy duro y se emplea en sectores como la industria automovilística o la aeroespacial. Sin embargo, no alcanza la dureza del diamante. Por otro lado, si los mismos átomos se organizan en forma hexagonal (concretamente en la estructura de wurtzita) pueden dar lugar a un material aún más duro, que en algunas simulaciones teóricas podría superar al diamante hasta en un 18 %. El inconveniente es que este tipo de material es extremadamente raro y difícil de sintetizar, lo que complica su obtención en cantidades suficientes para confirmar estas estimaciones de forma experimental.

El carbono es un elemento especialmente versátil y fácil de encontrar, con una gran capacidad para formar enlaces estables en distintas configuraciones. Esta flexibilidad permite que sus átomos adopten múltiples estructuras con propiedades muy diferentes. Así, el grafito es blando, opaco y buen conductor de la electricidad, mientras que el diamante es transparente, extremadamente duro y no conductor. También existen otras formas como las buckybolas o los nanotubos de carbono, que presentan propiedades mecánicas y eléctricas muy interesantes.

Todos estos materiales están formados únicamente por átomos de carbono, y lo que cambia entre ellos es su organización estructural, lo que los convierte en alótropos del carbono. Por esta razón, es posible transformar unos en otros bajo determinadas condiciones. Por ejemplo, si el grafito se somete a altas presiones y temperaturas, puede convertirse en diamante. En términos más generales, variando condiciones como la presión o la temperatura, es posible obtener nuevos alótropos con propiedades completamente distintas.

Dureza

Los diamantes se forman entre aproximadamente 140 y 250 kilómetros por debajo de la superficie terrestre, en el manto de la Tierra, donde el carbono se encuentra sometido a presiones extremadamente altas y a temperaturas cercanas a los 1.000 grados Celsius.

«La dureza es una propiedad importante de los materiales y a menudo determina para qué se pueden utilizar, pero también es bastante difícil de definir. En el caso de los minerales, la dureza al rayado es una medida de la resistencia ante el roce con otro mineral. Hay varias formas de medir la dureza, pero normalmente se utiliza un instrumento para hacer una huella en la superficie del material. La relación entre la superficie de la hendidura y la fuerza empleada para hacerla produce un valor de dureza. Entre más duro sea el material, mayor el valor alcanzado», explica la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo.

En 1812, el mineralogista Friedrich Mohs (1773-1839) estableció una escala de referencia basada en diez minerales comunes, ordenados según su dureza creciente. Esta escala, conocida como la escala de dureza de Mohs, se ha convertido en un sistema básico para comparar la resistencia al rayado de distintos materiales.

Según este criterio, cada mineral puede rayar a aquellos que están por debajo de él en la escala, mientras que puede ser rayado por los que se encuentran por encima. Cuando dos minerales presentan la misma dureza, ninguno es capaz de rayar al otro. Por ejemplo, un rubí no puede rayar a un zafiro, ni viceversa, ya que ambos pertenecen al mismo nivel de dureza.

Aunque la escala puede parecer uniforme en sus primeros niveles, la diferencia de dureza aumenta de forma muy pronunciada en la parte superior. El corindón, situado en el nivel 9, es aproximadamente dos veces más duro que el topacio (nivel 8), mientras que el diamante, que ocupa el nivel 10, llega a ser alrededor de cuatro veces más duro que el corindón.