Tan duro como el diamante

Este diamante de 232,08 quilates fue descubierto en 2014 en una mina sudafricana cercana a la ciudad de Petoria. Su valor ronda está entre los 10 y 20 millones de dólares.

Diamante viene del griego ἀδάμας (adámas) que significa inalterable, irrompible, indomable…  

Pero, ¿qué es un diamante? Los vemos en las joyerías como minúsculas piezas brillantes engarzadas en oro, platino y plata. Y en las películas como grandes piezas que son objeto de robo y obsesión. Es uno de los materiales más duros conocidos, aunque le supera la lonsdaleíta, alótropo hexagonal de carbono encontrado tras el choque de meteoritos, y los nanofilamentos diamantinos (ADNR) que fueron creados por un equipo de físicos alemanes en 2005 [1].

Es la segunda forma más estable del carbono tras el grafito y su estructura cristalina está formada por enlaces covalentes muy fuertes que le confieren una dureza inigualable dentro de los minerales naturales. Cada átomo de carbono está unido con otros cuatro átomos vecinos, situados en los extremos de un tetraedro regular. Por ello, además de adornar coronas, colgantes, anillos, pulseras y pendientes, se usa en la industria en las herramientas de corte y pulido. Pero el uso de diamantes de origen natural en la industria no es barato, por ello se han buscado soluciones para evitar el uso de esta cara piedra preciosa.

GIF que representa la estructura molecular del diamante. Esta misma estructura también la tiene el carburo de silicio. Imagen.

Los átomos de carbono presentan geometría tetraédrica, cada átomo de carbono se une a otros cuatro átomos situados en los vértices de un hipotético tetraedro, y así sucesivamente en las tres dimensiones. Cada carbono de estos vértices es, a su vez, el átomo central de otro tetraedro. Por tanto, todo el cristal se puede considerar como una molécula gigante o macromolécula.

Los tres materiales de uso industrial más duros son diamante, nitruro de boro y carburo de boro. Los compuestos que mayor dureza aportan suelen ser los carburos covalentes y los metálicos. Los carburos covalentes se forman con carbono y otro elemento con una electronegatividad similar, por ejemplo, silicio, que forma un carburo con una estructura molecular parecida a la del diamante [2], y boro, con una estructura molecular romboedral [3]. Los carburos metálicos se forman con metales de transición como el wolframio, formando dos tipos de estructuras una hexagonal y otra cúbica [4], y el titanio, sin estequiometría definida [5].

Nitruro cúbico de boro.

Nitruro de boro

El nitruro de boro (BN) puede presentarse en forma cúbica dando lugar a un compuesto de una dureza similar a la del diamante. Al igual que el diamante, es un aislante eléctrico y un magnífico conductor térmico. Su elaboración pasa por comprimir a alta presión y temperatura nitruro de boro hexagonal. Este proceso es similar al que ocurre al convertir grafito en diamante [6].

Carburo de boro

El carburo de boro (B4C) es un compuesto altamente usado en la industria militar como recubrimiento de tanques y chalecos antibalas. Su uso también es típico en la energía nuclear debido a su gran capacidad de absorción de neutrones. Este material es ligeramente menos duro que el nitruro de boro. Se fabrica usando una reducción de óxido de boro y carbón en un horno de arco eléctrico.

Carburo de silicio

El carburo de silicio (SiC) tiene una estructura molecular similar a la del diamante con una estequiometría de 1:1 a pesar de que los átomos de carbono y silicio son de diferente tamaño. Su estructura molecular le confiere una dureza de 9 a 9.5 en la escala de Mohs. Es un material semiconductor y refractario (que soporta hasta 1700 ºC sin ablandarse), y es usado en electrónica para circuitos que soporten altos voltajes, intensidad y frecuencia. En industria pesada se usa para herramientas de corte, abrasivas, cojinetes, piezas para cohetes y rodillos de horno [7], y su densidad es un 40% la del acero.

Se obtiene en horno de arco eléctrico a 2000 ºC al fundir cuarzo y coque de petroleo.

Rebabas rotativas de carburo cementado.

Carburo de wolframio

La composición química del carburo de wolframio o de tungsteno (WC) es de W₃C hasta W₆C. Su dureza es de 9 en la escala de Mohs. Presenta dos tipos de estructuras, una hexagonal estable a baja temperatura y otra cúbica estable a alta temperatura. Su uso está tan extendido que se le considera material estratégico y EEUU lo tiene dentro de la lista de materiales vitales (hay reservas almacenadas para abastecer las necesidades del país durante 6 meses).

A pesar de su dureza, es quebradizo y por ello se le pasa por un proceso de aglutinamiento con cobalto creando un carburo cementado. Este nuevo material tiene capacidades mecánicas superiores y puede ser usado con más versatilidad.

Carburo de titanio

El carburo de titanio (TiC) es un tipo de cerámica de alta dureza (9 a 9.5 en la escala de Mohs) que permite conducir la electricidad. Los átomos de carbono están incrustados dentro de la matriz cúbica metálica formada por el titanio. Igual que el carburo de wolframio, es frágil y se suele usar como carburo cementado mediante la adicción de níquel y cobalto.

En la genial serie Futurama, Bender usa hilo de diamante y una sombrilla doblada como anzuelo para pescar a un monstruo marino.

Aunque existen varias investigaciones para desarrollar materiales cada vez más duros, como el ADNR que supera en dureza a la del diamante, la dificultad más importante es fabricarlos con costes menores al de los propios diamantes.

Víctor Pascual

Referencias:

[1] http://cordis.europa.eu/news/rcn/24332_es.html
[2] https://es.wikipedia.org/wiki/Carburo_de_silicio
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Boron_carbide
[4] https://es.wikipedia.org/wiki/Carburo_de_wolframio
[5] https://es.wikipedia.org/wiki/Carburo_de_titanio
[6] https://es.wikipedia.org/wiki/Nitruro_de_boro
[7] http://carbosystem.com/carburo-de-silicio-2/
 

Víctor Pascual