CIENCIAS DE LA TIERRA

Diamantes: un brillante futuro para la humanidad

"La sustancia más valiosa, no sólo entre las gemas, sino de todas las posesiones del hombre, es el diamante." Plinio el Viejo. Historia Natural. Libro XXXVII.

Diamante... la palabra tintinea en nuestra conciencia, cargada de significados: belleza, perfección, riqueza, inmutabilidad, indestructibilidad... El diamante fascina al hombre desde la Antigüedad. La leyenda nos cuenta que únicamente podía encontrarse en un valle oculto en la selva de India, custodiado por basiliscos de mirada mortal. Alejandro Magno pudo obtenerlos utilizando espejos para destruir a los guardianes y pájaros para recolectar los diamantes. Plinio el Viejo, más mundano, más práctico y sin duda mucho más creíble, nos informa de que durante mucho tiempo, sólo los reyes pudieron poseer diamantes, y de entre éstos, únicamente los más poderosos.

Su nombre procede del griego Adamao, que significa "yo venzo" o "yo subyugo", palabra muy adecuada para designar la sustancia más dura conocida, capaz de vencer por la fuerza a todos los demás materiales conocidos, de origen natural o artificial, y que sólo puede ser tallada utilizando su propio polvo. No es de extrañar que la ciencia de los antiguos admitiera la transmisión de la indestructibilidad del diamante a su poseedor, estando así a salvo el que lo portara de todos los peligros, incluyendo dragones, fuego, venenos, enfermedades, robos, inundaciones y espíritus malignos. Con este amplio espectro de acción, se comprende el interés que los gobernantes tenían por la posesión de tan preciados objetos. Hasta el siglo XVIII, los diamantes sólo se pudieron encontrar en India, e incluso allí eran muy escasos. Posteriormente, los yacimientos hallados en Brasil, África y Australia contribuyeron a su amplia difusión actual, si bien continúan siendo una cara mercancía que es la base de un floreciente comercio.

Pero además de sus innegables virtudes estéticas, los diamantes poseen usos prácticos. Ya los antiguos chinos los empleaban, engarzados en oro, para trabajar el jade, y Plinio nos instruye sobre su uso para tallar los más variados materiales. En los últimos meses, distintas investigaciones nos han descubierto nuevos e inesperados usos para los diamantes. Los diamantes han demostrado ser útiles tanto en investigación básica como aplicada. En cuanto a la primera, los diamantes aportan nuevas pistas para comprender mejor el interior de la Tierra o el origen del Sistema Solar. En cuanto a sus usos tecnológicos, cada vez aparecen más y más empleos inesperados, como la construcción de células solares o de los primeros nanodispositivos fabricados exclusivamente de diamante. Los párrafos que siguen nos mostrarán estas nuevas aplicaciones que la inteligencia humana ha sabido encontrar para el material más fascinante de la naturaleza.


Mensajes desde las profundidades de la Tierra

La composición del interior de la Tierra ha sido siempre uno de los mayores misterios por desentrañar. Hoy en día disponemos de un conocimiento más o menos aceptable sobre el tema, pero únicamente partiendo de modelos teóricos, que son contrastados con datos experimentales inferidos a partir de técnicas indirectas como la sismología. Es muy difícil conseguir información de primera mano, como por ejemplo una muestra de mineral procedente de las profundidades de la Tierra. La perforación más profunda que ha podido realizar el ser humano alcanza 15 km, apenas un leve arañazo sobre la corteza de un planeta de 6370 km de radio.

Los diamantes, dado su peculiar origen, son unos perfectos mensajeros, capaces de revelar información acerca de las profundidades de la Tierra. La mayoría de los diamantes terrestres se originan a las enormes presiones y temperaturas existentes en el Manto, la capa intermedia de la Tierra, que se extiende entre unos 60 km y unos 2900 km de profundidad y que es posiblemente la peor conocida de las tres capas que integran el espesor de nuestro planeta. Los diamantes suben hasta la superficie arrastrados por corrientes de magma procedentes del Manto, que penetran en la Corteza Terrestre debido a la actividad volcánica, solidificándose después para formar unas inclusiones en forma de tubo de roca denominadas kimberlitas. Los diamantes se encuentran incluidos en las kimberlitas como las pasas en un plum-cake. Las kimberlitas que afloran a la superficie pueden ser explotadas por el hombre y constituyen las minas de diamantes.

Todos los diamantes contienen diversas impurezas de otros minerales que cocristalizaron con ellos. Las impurezas aportan una valiosa información acerca de su origen, para aquel que sepa interpretarla. Catherine McCammon, de la Universidad de Bayreuth, Alemania, ha estudiado recientemente los diversos tipos de inclusiones, y acaba de publicar sus resultados en la revista Science. Estos muestran claramente que existen dos zonas diferenciadas en el Manto, con una línea divisoria a una profundidad de alrededor de 660 km. La existencia de estas dos zonas (el Manto Inferior y la Astenosfera, que es la capa semi-fluida que lo recubre) era ya conocida a partir de los estudios sísmicos, pero se pensaba que estas dos zonas intercambiaban continuamente material gracias a intensas corrientes de convección. La nueva información que nos aportan los diamantes es que no existe apenas mezcla entre los minerales que componen ambas zonas. Los diamantes procedentes de las dos zonas tienen composiciones claramente diferentes, lo que prueba que las dos zonas del Manto son prácticamente impenetrables entre sí. Sin embargo, el hecho de que podamos tener en nuestras manos diamantes procedentes del Manto Inferior y que éstos suelan aparecer en algunos yacimientos, demuestra que, en ocasiones, material procedente de esta capa interna es capaz de llegar hasta la Corteza, gracias a enormes corrientes de magma que pueden atravesar la Astenosfera y llegar así hasta la superficie. La composición mineralógica de las impurezas contenidas en los diamantes aporta además, información acerca de la composición química y las condiciones de presión y temperatura en las distintas capas del Manto que no podríamos conocer de ningún otro modo. Los diamantes nos traen valiosos mensajes desde las profundidades.


Polvo de estrellas

No sólo se forman diamantes en las profundidades de la Tierra. También se han encontrado diamantes de tamaño microscópico (de tan sólo unos cuantos nanometros de diámetro) en el interior de muchos de los meteoritos de más edad que han caído sobre la Tierra. Estos meteoritos son más viejos que el Sistema Solar, y los diamantes que aparecen en ellos fueron posiblemente formados en las nubes de polvo estelar emitidas por las estrellas moribundas que constituyen su legado, en forma de preciados elementos químicos. La formación de estos diamantes estelares en laboratorio está siendo estudiada actualmente por Ulrich Ott y sus colaboradores del Instituto Max Planck (Alemania) y del Instituto Karpov (Rusia). El mecanismo que los forma, denominado Deposición Química de Vapor, es el mismo que se utiliza industrialmente para conseguir diamantes de tamaño y forma controlada. Los diamantes estelares contienen inclusiones de gases nobles, que proceden de las explosiones de las supernovas, y midiendo las cantidades de los mismos podemos conocer las condiciones en las que los diamantes fueron creados, así como su historia posterior. Así, los diamantes nos permiten conocer mejor los fenómenos que ocurrieron hace miles de millones de años, cuando el Universo era joven, y nuestro Sol aún no existía. Los brillantes pedacitos de Cielo quizás puedan aportar sorprendentes datos en un futuro no muy lejano.


Diamantes para la Humanidad

El escritor de Ciencia Ficción Arthur C. Clarke pronosticó que para el año 2050 nuestros edificios se cubrirán de modo rutinario por una fina capa de diamante, que los protegerá de las adversidades del clima. Quizás suene descabellado, pero viniendo del mismo autor que predijo en 1945 la utilización de satélites artificiales, debemos considerar su propuesta seriamente. Quizás la propuesta pueda convertirse en realidad antes de lo que creemos, y además de una forma aún más increíble, puesto que se podría aprovechar esta cobertura de diamante para obtener electricidad, si las ideas de Timothy Fisher tienen finalmente éxito.

Fisher está investigando la posibilidad de sustituir las actuales células solares de silicio por células basadas en una fina capa de diamante artificial. Las capas de diamante presentan bastantes ventajas frente a las células de silicio. Son capaces de soportar los altos niveles de radiación que existen en el espacio sin disminuir el rendimiento, mientras que las células de silicio que contienen los satélites artificiales actuales bajan su rendimiento hasta un 50% tras 10 años en órbita. Pueden operar a temperaturas más altas, y son más ligeras y capaces de producir más electricidad para el mismo peso, lo que resulta importante para su uso en sondas espaciales y satélites artificiales. Por si fuera poco, según afirma Fisher, su coste podría llegar a ser incluso menor que las células de silicio y, si se fabrican a gran escala, se podrían llegar a fabricar láminas de diamante al precio de 1 dólar por cm2. Las láminas de diamante se pueden fabricar a partir de metano, mediante el sistema de Deposición Química de Vapor, el mismo que usa la naturaleza para fabricar los diamantes que se encuentran en el polvo estelar. Hasta el momento, todo esto es pura teoría, pero Fisher está convencido de lograr resultados prácticos muy pronto. Su objetivo inmediato es fabricar una célula de 1 cm2 que produzca 10 watios de electricidad trabajando a una temperatura de 1000 ºC. Si lo consigue, la energía solar producida mediante láminas de diamante podría llegar a convertirse en una importante fuente de energía renovable en el futuro.


Brillantes microdispositivos

La Nanotecnología es uno de los campos de la Ciencia que más rápidamente está avanzando en las últimas décadas. Se basa en la fabricación de dispositivos electrónicos increíblemente pequeños del orden de unos cuantos nanómetros, alrededor de mil veces más pequeños que una célula bacteriana, y un millón de veces menores que 1 mm. Hasta ahora, casi todos los circuitos de estos nanodispositivos se basaban en chips de silicio. Sin embargo, John Sullivan y Tom Friedmann, de los Laboratorios Sandia en Albuquerque, Nuevo México, acaban de fabricar el primer microdispositivo funcional, íntegramente constituido por una sola pieza de diamante. El dispositivo es un motor electromecánico de 1 mm2 de área, que se mueve de forma oscilante cuando es atravesado por una corriente eléctrica, y puede ser usado como componente de dispositivos nanotecnológicos más complejos.

El hecho de que esté fabricado en diamante resulta útil para las posibles aplicaciones biomédicas del dispositivo, ya que el diamante es carbono puro, un material que no resulta tóxico ni alergénico cuando se introduce en el cuerpo de un ser vivo, a diferencia de los demás materiales empleados usualmente en Nanotecnología. Además, el silicio es un material que presenta tendencia a unirse a moléculas de agua, modificando sus propiedades, lo que dificulta sus aplicaciones en medios húmedos. El diamante, por el contrario, es un material hidrofóbico que no presenta este problema. Por supuesto, la alta resistencia del diamante, tanto a los ataques químicos como al desgaste físico, son ventajas añadidas de este material.

Los nanodispositivos de diamante no se habían fabricado hasta ahora debido a la dificultad de conseguir un depósito ordenado de una capa de diamante de unos pocos átomos de espesor con la forma y tamaño deseados. Este problema ha sido solucionado por Sullivan y Friedmann, que han ideado un nuevo método de deposición del vapor de carbono, estimulado por pulsos de láser. La variedad de las posibles aplicaciones de este método de deposición controlada, para obtener minúsculas piezas de diamante de la forma que se desee, es realmente inimaginable, y con seguridad dará mucho que hablar en las próximas décadas.

Autor: Owen Wangensteen | 2001