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El problema de convertir el grafito en diamante
Convertir grafito en diamante ha sido un sueño de los alquimistas de todo el mundo. En la era moderna, los científicos de materiales han desconcertado este proceso porque es difícil averiguar por qué la conversión es tan difícil.
Mida la energía libre del grafito y el diamante y encontrará que son más o menos iguales. Eso implica que convertir uno en otro debería ser fácil.
Y, sin embargo, en los experimentos, la conversión solo funciona a temperaturas muy por encima de 1700K y a presiones superiores a 12 GigaPascales. No es de extrañar, entonces, que el diamante sea tan raro y valioso
Pero, ¿por qué el grafito debería mostrarse tan reacio a realizar el cambio? Hoy, Rustam Khaliullin del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich y algunos amigos dicen que creen saber por qué. Estos chicos han creado un modelo informático del proceso que ha identificado la razón por la que el diamante es tan reacio a formarse.
Los científicos de materiales han creído durante mucho tiempo que el proceso de conversión debe comenzar con la nucleación del diamante en grafito seguido del crecimiento. Es fácil imaginar que un proceso de este tipo sería sencillo de modelar a partir de los primeros principios en una computadora.
Resultó que ese no es el caso. La energía superficial del diamante es extremadamente alta, por lo que los diamantes pequeños de solo unos pocos átomos no pueden formarse fácilmente (la energía superficial es demasiado alta).
Eso significa que la semilla inicial en la nucleación del diamante debe consistir en decenas de miles de átomos de carbono. Eso es demasiado para cualquier simulación por computadora estándar desde los primeros principios.
Khaliullin y sus amigos adoptan un enfoque diferente. Utilizan una red neuronal para simular la superficie de energía potencial que existe a lo largo de las hojas de grafito a medida que se flexionan. Este enfoque ignora los detalles de cada enlace de carbono y, en cambio, se centra en la estructura molecular más general.
De esta manera, la simulación puede hacer frente a las decenas o incluso cientos de miles de átomos requeridos. Khaliullin y compañía dicen que esto les ha permitido realizar el primer estudio atomístico de nucleación homogénea de diamantes a partir de grafito.
Los resultados son fascinantes. Para formar un diamante, los anillos hexagonales de grafito primero deben deformarse. Básicamente, hay dos formas en que un anillo hexagonal puede deformarse. Los extremos opuestos del hexágono pueden doblarse hacia arriba formando una forma de barco; o un extremo del hexágono puede flexionarse hacia arriba y el otro hacia abajo formando una forma similar a una silla.
Khaliullin y compañía muestran que a bajas presiones, por debajo de 10 GPa, los anillos hexagonales en grafito tienden a formar la estructura en forma de barco. Cuando esto sucede, el grafito se forma en un alótropo metaestable de carbono llamado diamante hexagonal.
Ésta, dicen, es la razón por la que el diamante es tan difícil de hacer: el carbono prefiere formar una estructura hexagonal diferente.
De hecho, esto es exactamente lo que sucede en los experimentos cuando el grafito se comprime y se calienta por debajo de las temperaturas críticas de formación del diamante. El diamante hexagonal también se encuentra a veces en meteoritos.
Khaliullin y compañía continúan demostrando que a altas presiones, los hexágonos en forma de silla se forman y que estos siembran la formación de diamantes. También muestran que a medida que aumenta la presión, el tamaño de la semilla de diamante necesaria para desencadenar la nucleación también se reduce. Es por eso que el diamante se forma mucho más fácilmente a 50 GPa que a 20 GPa.
Eso no hará que sea más fácil convertir el carbón en joyas. Pero les da a los científicos de materiales una nueva visión de uno de los problemas más interesantes que los han desconcertado en los últimos años.
Ref: arxiv.org/abs/1101.1406 : Mecanismo de nucleación para la transición directa de fase de grafito a diamante