Φυσικές ιδιότητες του διαμαντιού

Το διαμάντι είναι ένα από τα αλλότροπα του καθαρού άνθρακα. Είναι ένα κρυσταλλικό ομοιοπολικό στερεό που βρίσκεται σε αλλουβιακά χαλίκια, σε σωλήνες κιμπερλίτη και σε παγετώνες. Τα φυσικά διαμάντια βρίσκονται υπό έντονες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης που προκαλούν την κρυστάλλωση των ατόμων άνθρακα. Συνθετικά, σχηματίζεται από γραφίτη, κυρίως χρησιμοποιώντας την τεχνική υψηλής πίεσης-υψηλής θερμοκρασίας.

Επισκόπηση

Οι φυσικές ιδιότητες ενός διαμαντιού μπορούν να αποδοθούν στη δομή του. Βασίζεται σε μια δομή κυβικού πλέγματος με επίκεντρο την όψη αλλά με επιπλέον άτομα άνθρακα μέσα στον κύβο. Τα άτομα άνθρακα υβριδίζονται sp3 και συνδέονται ομοιοπολικά με τέσσερα άλλα άτομα άνθρακα σε τετραεδρική δομή. Ο αριθμός συντονισμού κάθε άνθρακα είναι 4. Έτσι, το διαμάντι είναι ένα γιγάντιο τρισδιάστατο μόριο στο οποίο κάθε μήκος δεσμού άνθρακα-άνθρακα είναι 154 pm, σχηματίζοντας ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς με κάθε γωνία δεσμού να είναι 109,5°. Το διαμάντι έχει ισομετρική δομή, που σημαίνει ότι τα άτομα άνθρακα συνδέονται με τον ίδιο τρόπο προς όλες τις κατευθύνσεις.

Γενικές φυσικές ιδιότητες του διαμαντιού

Οι γενικές φυσικές ιδιότητες του διαμαντιού είναι:

• Τα καθαρά διαμάντια είναι διαφανή και άχρωμα. Είναι οι ακαθαρσίες που τους δίνουν χρώματα.
• Είναι εύθραυστης φύσης.
•  Έχει δείκτη διάθλασης 2,5, που είναι πολύ υψηλή τιμή. Ως εκ τούτου, αστράφτει.
• Έχει την υψηλότερη μη μεταλλική λάμψη, γνωστή ως αδαμαντίνη, λόγω της ικανότητάς του να ανακλά το μεγαλύτερο μέρος του φωτός που χτυπά στην επιφάνειά του.
• Έχει επίσης σχετικά υψηλή διασπορά. Όσο υψηλότερη είναι η τιμή διασποράς, τόσο πιο πολύχρωμα φλας μπορεί να εμφανίσει το πετράδι.
• Έχει μέση πυκνότητα 3,5 g/cm3.
• Έχει χαμηλό συντελεστή τριβής.

Με βάση τη δομή, μπορούν να εξηγηθούν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά του διαμαντιού:

1. Σκληρότητα:Καθώς οι δεσμοί άνθρακα-άνθρακα είναι πολύ ισχυροί ομοιοπολικοί δεσμοί, αναμένεται ότι τα διαμάντια πρέπει να είναι σκληρά και να έχουν υψηλή πυκνότητα. Είναι η πιο σκληρή ουσία που απαντάται στη φύση. Τα μαύρα διαμάντια είναι τα πιο σκληρά από όλα.
2. Σημείο τήξεως:Το σημείο τήξεώς του φτάνει τους 3600°C επειδή η τήξη του απαιτεί τη διάσπαση ισχυρών ομοιοπολικών δεσμών.

3. Θερμική αγωγιμότητα:Σε θερμοκρασία δωματίου, το διαμάντι έχει την υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα, η οποία μπορεί να αποδοθεί στην παρουσία ισχυρού ομοιοπολικού δεσμού στη δομή του και στη χαμηλή σκέδαση φωνονίων.

4. Δύναμη:Η αντοχή του διαμαντιού μπορεί να σχετίζεται με την κρυσταλλική δομή του FCC. Κάθε άτομο άνθρακα στο διαμάντι σχηματίζει μια διάταξη τετραεδρικού δεσμού καθώς συνδέεται με τέσσερα άλλα άτομα με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς. Αυτές οι τετραεδρικές ενώσεις σχηματίζουν μια τρισδιάστατη δομή χωρίς αδύναμους δεσμούς, γεγονός που προκαλεί την υψηλή αντοχή του διαμαντιού. Χρειάζεται πολύ περισσότερη ενέργεια για να σπάσει αυτό το υλικό.

5. Συντελεστής θερμικής διαστολής:Εξαρτάται από την αντοχή του δεσμού μεταξύ των ατόμων που αποτελούν τη δομή. Καθώς το διαμάντι αποτελείται από ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς, η ισχύς του δεσμού του είναι υψηλή. Έτσι, τα διαμάντια έχουν έναν εξαιρετικά χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να θερμανθούν και να εκτεθούν σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες χωρίς να διαστέλλονται τόσο πολύ. Διατηρεί τη μορφή και τη δύναμή του σε υψηλές θερμοκρασίες.

6. Κακός αγωγός:Δεδομένου ότι όλα τα ηλεκτρόνια σθένους εμπλέκονται στη σύνδεση, χωρίς να αφήνουν ελεύθερα ηλεκτρόνια για να μεταφέρουν το ηλεκτρικό ρεύμα, το διαμάντι είναι κακός αγωγός του ηλεκτρισμού ή με άλλα λόγια, έχει υψηλή ηλεκτρική ειδική αντίσταση.

7. Οπτική διαφάνεια/διαύγεια:Η εσωτερική δομή του διαμαντιού αποτελείται από άτομα άνθρακα ομοιοπολικά συνδεδεμένα σε ένα τρισδιάστατο πλέγμα, το οποίο προκαλεί βαθιά διάθλαση του προσπίπτοντος φωτός στον κρύσταλλο, δίνοντας στον κρύσταλλο τη χαρακτηριστική του διαύγεια. Διαθέτει μεγάλο εύρος οπτικής διαφάνειας, που κυμαίνεται από υπεριώδη έως υπέρυθρη.

Πρόσθετες φυσικές ιδιότητες των διαμαντιών ως πολύτιμων λίθων

Η αξία ενός διαμαντιού ως διαμάντι καθορίζεται από το βάρος του και την παρουσία ακαθαρσιών σε αυτό. Η διαθλαστική ιδιότητα του φωτός, που δίνει στο διαμάντι τη λάμψη του, το κάνει δημοφιλές ως διαμάντι. Η ποιότητά του καθορίζεται από τα 4C:χρώμα, κόψιμο, διαύγεια και βάρος σε καράτι. Το βάρος του δίνεται σε καράτια [1 καράτι =0,2 g]. Τα άχρωμα, διαφανή είναι τα πιο δαπανηρά γιατί έχουν αμελητέες ακαθαρσίες και αστράφτουν περισσότερο καθώς είναι τέλεια γυαλισμένα. Η τιμή του μειώνεται με την αύξηση των ακαθαρσιών που υπάρχουν σε αυτό, καθώς αυτά τα εγκλείσματα περιορίζουν τη διέλευση του φωτός. Όταν υπάρχουν σε μεγάλες ποσότητες, οι ακαθαρσίες μειώνουν σημαντικά την εμφάνιση ενός κομμένου πολύτιμου λίθου.

Είναι η παρουσία μικρών ιχνών μεταλλικού οξειδίου και αλατιού που προσδίδει ξεχωριστά χρώματα στα διαμάντια. Αυτά τα χρωματιστά διαμάντια ονομάζονται πολύτιμοι λίθοι. Τα διαμάντια των πιο σκούρων χρωμάτων, δηλαδή κόκκινο, ροζ και μπλε, είναι εξαιρετικά σπάνια και επομένως πολύ πολύτιμα. Μπορούν επίσης να είναι γκρι, κίτρινο, καφέ, πράσινο και πορτοκαλί, ακόμη και μαύρο. Τα μαύρα διαμάντια περιέχουν οξείδιο του χαλκού ως ακαθαρσίες. Δεν χρησιμοποιούνται ως πολύτιμοι λίθοι, αλλά έχουν σημαντικές βιομηχανικές χρήσεις.

Βιομηχανικά διαμάντια

Αυτά τα διαμάντια που δεν πληρούν τα πρότυπα ποιότητας πολύτιμων λίθων χρησιμοποιούνται για βιομηχανικούς σκοπούς και αναφέρονται ως βιομηχανικά διαμάντια. Η σκληρότητα του διαμαντιού και ο μοναδικός συνδυασμός υψηλής θερμικής αγωγιμότητας με ηλεκτρική μόνωση το καθιστούν επιθυμητό υλικό για μεγάλες βιομηχανικές εφαρμογές. Χρησιμοποιούνται για την κοπή και διάτρηση βράχων, γυαλιού ή άλλων διαμαντιών, για την κατασκευή ψυκτών, ως κεφαλές σε τρυπάνια βαθιάς διάτρησης, ως μικρο-ρουλεμάν χαμηλής τριβής σε ρολόγια, ως βελόνες για πικάπ με μεγάλη διάρκεια, καθώς και για την κατασκευή παράθυρα με προστασία από την ακτινοβολία για διαστημικούς δορυφόρους, για την πρόληψη της εισόδου επιβλαβούς ακτινοβολίας.

Συμπέρασμα

Λόγω της δομής του, το διαμάντι είναι η πιο σκληρή φυσική ουσία. Είναι εξαιρετικός θερμικός αγωγός καθώς και ηλεκτρικός μονωτήρας λόγω του υψηλού σημείου τήξης του. Λάμπει λόγω του υψηλού δείκτη διάθλασης και της ισχύος διασποράς του. Έχει χαμηλό συντελεστή τριβής, εξαιρετικά χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής και μεγάλο εύρος οπτικής διαφάνειας.

Το διαμάντι είναι πιο δημοφιλές ως πολύτιμος λίθος, αλλά χρησιμοποιείται επίσης για την κοπή άλλων διαμαντιών, την κατασκευή ψυκτών θερμότητας, τις κεφαλές άκρων σε τρυπάνια βαθιάς διάτρησης και για την κατασκευή παραθύρων ανθεκτικών στην ακτινοβολία για διαστημικούς δορυφόρους.