pregunte a la mayoría de la gente cuál es el material más duro en la Tierra y probablemente responderán «diamante». Su nombre proviene de la palabra griega ἀδάμας (adámas) que significa «irrompible» o «invencible»y es de donde obtenemos la palabra «inflexible». La dureza del diamante le da increíbles capacidades de corte que, junto con su belleza, lo han mantenido en alta demanda durante miles de años.,
Los científicos modernos han pasado décadas buscando alternativas más baratas, más duras y más prácticas y cada pocos años las noticias anuncian la creación de un nuevo «material más duro del mundo». ¿Pero alguno de estos retadores está realmente a la altura?
a pesar de su atractivo único, el diamante es simplemente una forma especial, o «alótropo», de carbono. Hay varios alótropos en la familia del carbono incluyendo nanotubos de carbono, carbono amorfo, diamante y grafito., Todos están compuestos de átomos de carbono, pero los tipos de enlaces atómicos entre ellos difieren, lo que da lugar a diferentes estructuras y propiedades materiales.
la capa más externa de cada átomo de carbono tiene cuatro electrones. En el diamante, estos electrones se comparten con otros cuatro átomos de carbono para formar enlaces químicos muy fuertes que resultan en un cristal tetraédrico extremadamente rígido. Es este arreglo simple y estrechamente unido lo que hace que el diamante sea una de las sustancias más duras de la Tierra.
¿qué tan difícil?
La dureza es una propiedad importante de los materiales y a menudo determina para qué se pueden usar, pero también es bastante difícil de definir. Para los minerales, la dureza al rayado es una medida de cuán resistente es a ser rayado por otro mineral.
Hay varias formas de medir la dureza, pero normalmente se utiliza un instrumento para hacer una mella en la superficie del material. La relación entre la superficie de la indentación y la fuerza utilizada para hacerla produce un valor de dureza. Cuanto más duro sea el material, mayor será el valor., La prueba de dureza Vickers utiliza una punta de diamante piramidal de base cuadrada para hacer la sangría.
El acero dulce tiene un valor de dureza Vickers de alrededor de 9 GPa, mientras que el diamante tiene un valor de dureza Vickers de alrededor de 70 – 100 GPa. La resistencia del diamante contra el desgaste es legendaria y hoy en día el 70% de los diamantes naturales del mundo se encuentran en recubrimientos resistentes al desgaste para herramientas utilizadas en corte, taladrado y rectificado, o como aditivos para abrasivos.
el problema con el diamante es que, si bien puede ser muy difícil, también es sorprendentemente inestable., Cuando el diamante se calienta por encima de 800℃ en el aire, sus propiedades químicas cambian, afectando su resistencia y permitiéndole reaccionar con hierro, lo que lo hace inadecuado para el mecanizado de acero.
Estos límites en su uso han llevado a un enfoque creciente en el desarrollo de nuevos materiales superduros químicamente estables como reemplazo. Los recubrimientos más resistentes al desgaste permiten que las herramientas industriales duren más tiempo entre el reemplazo de las piezas desgastadas y reducen la necesidad de refrigerantes potencialmente peligrosos para el medio ambiente. Los científicos hasta ahora han logrado encontrar varios rivales potenciales para diamond.,
nitruro de boro
El nitruro de boro de material sintético, producido por primera vez en 1957, es similar al carbono en que tiene varios alótropos. En su forma cúbica (c-BN) comparte la misma estructura cristalina que el diamante, pero en lugar de átomos de carbono se compone de átomos de boro y nitrógeno unidos alternativamente. c-BN es química y térmicamente estable, y se utiliza comúnmente hoy en día como un recubrimiento de máquina herramienta superduro en las industrias automotriz y aeroespacial.,
pero el nitruro de boro cúbico sigue siendo, en el mejor de los casos, el segundo material más duro del mundo con una dureza Vickers de alrededor de 50 GPa. Inicialmente se informó que su forma hexagonal (w-BN) era aún más difícil, pero estos resultados se basaron en simulaciones teóricas que predecían una fuerza de indentación 18% mayor que la del diamante. Desafortunadamente, w-BN es extremadamente raro en la naturaleza y difícil de producir en cantidades suficientes para probar adecuadamente esta afirmación por experimento.
Diamante Sintético
El Diamante sintético también ha existido desde la década de 1950 y a menudo se informa que es más duro que el diamante natural debido a su estructura cristalina diferente. Se puede producir aplicando alta presión y temperatura al grafito para forzar su estructura a reorganizarse en el diamante tetraédrico, pero esto es lento y costoso. Otro método es construirlo efectivamente con átomos de carbono tomados de gases hidrocarbonados calentados, pero los tipos de material de sustrato que puede usar son limitados.,
la producción de diamantes sintéticamente crea piedras policristalinas y compuestas de agregados de cristalitos mucho más pequeños o «granos» que van desde unas pocas micras hasta varios nanómetros de tamaño. Esto contrasta con los grandes monocristales de la mayoría de los diamantes naturales utilizados para la joyería. Cuanto más pequeño sea el tamaño de grano, más límites de grano y más duro será el material. Investigaciones recientes sobre algunos diamantes sintéticos han demostrado que tienen una dureza Vickers de hasta 200 GPa.
Q-carbon
Más recientemente, investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte crearon lo que describieron como una nueva forma de carbono, distinta de otros alótropos, y reportaron ser más dura que el diamante. Esta nueva forma se hizo calentando carbono no cristalino con un pulso láser rápido de alta potencia a 3,700 °C y luego enfriándolo o «apagándolo» rápidamente – de ahí el nombre «Q-carbon» – para formar diamantes del tamaño de micrones.,
los científicos encontraron que el Q-carbono es un 60% más duro que el carbono Tipo diamante (un tipo de carbono amorfo con propiedades similares al diamante). Esto les ha llevado a esperar que Q-carbon sea más duro que el propio diamante, aunque esto aún debe probarse experimentalmente. Q-carbon también tiene las propiedades inusuales de ser magnético y brillante cuando se expone a la luz. Pero hasta ahora su uso principal ha sido como un paso intermedio en la producción de Pequeñas partículas de diamante sintético a temperatura y presión ambiente., Estos nanodiamantes son demasiado pequeños para la joyería, pero ideales como material de revestimiento barato para herramientas de corte y pulido.