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Diamante: da pietra preziosa a materiale per l’industria

Categorie Chimica

Cos’è il diamante? Ve lo siete mai chiesto? Un materiale tanto iconico nel mondo della gioielleria e del lusso quanto sconosciuto ai molti nel suo aspetto più affascinante, quello scientifico. Il diamante non è altro che carbonio puro, lo stesso elemento che compone noi mammiferi circa per il 22% del peso così come la maggior parte dei composti organici conosciuti. Tuttavia, anche se il carbonio è uno degli elementi più abbondanti nell’universo, il diamante rimane un materiale raro da trovare in natura. Questo è dovuto al fatto che per formarsi esso necessita di un ambiente estremo caratterizzato da pressioni e temperature molto elevate.

Per contro, in condizioni ambientali (25 °C a 1 bar) il carbonio puro è stabile in una forma molto meno rara e meno costosa che viene utilizzata nelle matite per scrivere: la grafite. Infatti, al contrario di quello che afferma il celebre detto “un diamante è per sempre”, un diamante non è eterno proprio perché è una forma metastabile del carbonio puro in condizioni ambientali e tenderà quindi nel tempo, anche se molto più tempo di quello che potreste mai attendere in migliaia di vite, a ritornare grafite.

Proprio questo è forse l’aspetto più affascinante del diamante, il fatto di essere costituito essenzialmente dalla stessa identica materia che si può trovare nella mina di una matita, ma semplicemente cambiando come gli atomi di carbonio interagiscono fra di loro si ha uno dei materiali più preziosi ed eccezionali conosciuti all’uomo.

carbonio grafite diamante
Il carbonio dà forma sia alla grafite utilizzata nelle mine delle matite sia ai diamanti

Diamante e grafite a confronto

Formalmente, grafite e diamante sono due allotropi del carbonio, ovvero due sostanze composte dallo stesso elemento, ma con una differente struttura cristallina. È proprio la differenza sostanziale fra queste due strutture la causa delle diverse proprietà fra questi materiali.

Nel diamante l’atomo del carbonio è ibridizzato sp3 e di conseguenza forma quattro legami con altrettanti atomi di carbonio secondo una struttura tetraedrica. I legami covalenti C-C disposti nella configurazione appena descritta sono così forti da rendere il diamante il materiale più duro conosciuto in natura. Nella grafite, invece, il carbonio è ibridizzato sp2 e perciò ogni atomo forma solo tre legami con altrettanti atomi di carbonio in un piano, dando origine ad una serie di “fogli” paralleli l’uno rispetto all’altro caratterizzati da delle strutture esagonali.

Questi “fogli” sono debolmente legati fra di loro e tendono quindi a scorrere facilmente sotto l’azione di un carico, per questo la grafite viene spesso utilizzata come lubrificante solido. Fatto peculiare della grafite è che un singolo “foglio” va a formare il grafene, materiale di cui si è tanto sentito parlare negli ultimi anni per le sue promettenti proprietà fisiche.

Struttura grafite diamante
Struttura cristallina del diamante e della grafite a confronto. Nel diamante ogni atomo di carbonio è legato ad altri quattro atomi formando una struttura tetraedrica, mentre nella grafite ogni atomo di carbonio è legato a soli tre altri atomi nello stesso piano. Credits: toppr

L’utilizzo del diamante nell’industria

Come accennato all’inizio dell’articolo, il diamante non viene utilizzato solo in gioielleria, ma anche nell’industria a causa della sua ineguagliabile durezza e conducibilità termica. Non a caso l’origine della parola diamante proviene dal greco e significa “indomabile”. Per chi non lo sapesse, la durezza è una proprietà di un materiale che ne determina la resistenza alla penetrazione, ovvero alla deformazione plastica localizzata, che può essere misurata per mezzo di prove standardizzate.

Pensate che la durezza del diamante può arrivare fino ai 120 GPa, mentre quella del secondo materiale più duro utilizzato in ambito industriale, il nitruro di boro cubico (cBN), si aggira intorno ai 75-90 GPa. La durezza di un materiale è direttamente correlata alla sua resistenza all’usura e diventa perciò un parametro di fondamentale importanza in tutte quelle applicazioni dove si ha l’interazione meccanica fra più corpi. Per esempio, gli utensili per le lavorazioni meccaniche di materiali particolarmente duri come i ceramici possiedono delle punte in diamante. In aggiunta alla durezza, le punte in diamante possono contare su una conducibilità termica fino a 2500 W/m K, ben cinque volte superiore a quella del rame, per dissipare il calore generato durante le lavorazioni meccaniche.

Punte di diamante
Punte in diamante per utensili da tornitura. Credits: A.L.M.T. Corp

L’unico neo del diamante è che non può essere utilizzato per la lavorazione di leghe ferrose in quanto, essendo il carbonio molto solubile nel ferro ad elevate temperature, si avrebbe una rapida usura di tipo chimico dovuta alla diffusione di carbonio dal diamante al metallo ancor prima di un’usura di tipo meccanico. In questi casi si può ricorrere al nitruro di boro cubico che possiede proprietà molto vicine a quelle del diamante senza mostrare il problema dell’usura per diffusione di carbonio.

La realizzazione di diamanti artificiali

I primi diamanti artificiali furono prodotti durante gli anni Cinquanta con il metodo HPHT (High Pressure High Temperature). Questo processo permette di produrre diamanti a partire da carbonio sotto forma di grafite ricreando delle condizioni ambientali simili a quelle che si riscontrano nella naturale formazione del diamante. Pensate che si parla di temperature intorno ai 1500 °C e pressioni intorno ai 6 GPa, cioè circa 60 000 volte la normale pressione atmosferica sotto la quale siamo abituati a vivere!

In seguito, nei primi anni del Duemila, ha fatto la sua comparsa la produzione di diamanti artificiali mediante CVD (Chemical Vapour Deposition). Questo processo innovativo permette di produrre diamanti artificiali di alta qualità a temperature e pressioni ridotte rispetto al metodo HPHT. In questo caso, la crescita del diamante avviene forzando la deposizione continua di carbonio su un “seme” di diamante contenente le informazioni per la crescita del cristallo.

Diamanti artificiali
Diamante prodotto tramite CVD a sinistra, prodotto tramite HPHT al centro e diamante naturale a destra. Credits: GIA

Negli ultimi anni, si è vista crescere l’attenzione per la produzione di diamanti artificiali per il settore dell’oreficeria, soprattutto grazie alla promessa di un bene sostenibile e sempre tracciabile. I diamanti estratti in miniera, infatti, non sono noti solo per la loro bellezza, ma anche per il loro triste soprannome di “diamanti di sangue”, coniato dalle Nazioni Unite per indicare quelle gemme estratte sfruttando la popolazione locale e utilizzate per il finanziamento di conflitti.

Per questi motivi, il diamante artificiale ha attirato l’attenzione degli investitori, fra cui l’attore Leonardo DiCaprio, e della stampa internazionale, che hanno contribuito a generare un crescente interesse verso questo innovativo segmento della gioielleria. Non è solo questo a rendere i diamanti sintetici accattivanti per una clientela più attenta all’etica del regalo, ma anche il costo ridotto delle gemme artificiali rispetto alle controparti naturali. Senza contare il fascino di una gemma rara e preziosa prodotta con una conoscenza scientifica allo stato dell’arte.

Articolo a cura di Axel Baruscotti.

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