Diamante
O diamante é um cristal sob uma forma alotrópica do carbono, de fórmula química C. É a forma triangular estável do carbono em pressões acima de 6 GPa. Comercializados como pedras preciosas, os diamantes possuem um alto valor agregado. Normalmente, o diamante cristaliza com estrutura cúbica e pode ser sintetizado industrialmente. Outra forma de cristalização do diamante é a hexagonal, menos comum na natureza e com dureza menor. A característica que difere os diamantes de outras formas alotrópicas, é o fato de cada átomo de carbono estar hibridizado em sp³, e encontrar-se ligado a outros 4 átomos de carbono por meio de ligações covalentes em um arranjo tridimensional tetraédrico. O diamante pode ser convertido em grafite, o alótropo termodinamicamente estável em baixas pressões, aplicando-se temperaturas acima de 1 500 °C sob vácuo ou atmosfera inerte. Em condições ambientes, essa conversão é extremamente lenta, tornando-se negligenciada.
Condutividade elétrica
Alguns diamantes azuis são semicondutores naturais, em contraste com a maioria dos diamantes, que são excelentes isolantes elétricos. Substancial condutividade é comumente observada em diamantes não dopados crescidos por deposição química a vapor, podendo ser removida usando certos tratamentos para a superfície.
Dureza
Apresenta uma dureza de 10 (valor máximo da escala de Mohs). Uma dureza de 70-150 GPa no teste de dureza Vickers. Esta dureza é herdada de sua forte estrutura de cristal. No entanto, a dureza do diamante varia materialmente, o que é do conhecimento comum dos lapidadores. Infelizmente, declarações errôneas sobre a variação da dureza do diamante encontraram seu caminho na literatura mineralógica. Contribuições significativas para o nosso conhecimento da dureza do diamante e sua relação com a estrutura do cristal e com o corte para gemas e propósitos industriais foram feitas por W. Fr. Eppler, H. Rose, K. Schlossmacher e H. Bergheimer. O mecanismo de formação de impressão de microdureza em cristais de estrutura de diamante é considerado o resultado de uma transição de fase local sob o indentador com a formação de uma fase metálica devido à alta pressão hidrostática. De acordo com o efeito Hall-Petch, a dureza do diamante pode ser aumentada por nanoestruturação (por meio de microestruturas nano-geminadas e nano-geminadas). Todos os materiais têm estados quânticos específicos que são extremamente frágeis. Eles devem ser isolados de tudo a ser medido, mas mesmo a medição pode alterá-los. No entanto, os diamantes, devido à sua estrutura, podem manter estados quânticos por tempo suficiente para medições. Especificamente, defeitos de escala atômica no diamante, um átomo de nitrogênio onde um átomo de carbono deveria estar, podem ser medidos e usados para aplicações de mecânica quântica. Um defeito específico na estrutura cristalina que seria indesejável em uma aliança de casamento, mas excelente para aplicações físicas, é a vacância de nitrogênio. Os números quânticos de spin do defeito NV podem ser medidos iluminando comprimentos de onda específicos de luz verde no defeito. A quantidade de luz emitida pelo defeito depende do spin do estado fundamental. Além disso, quando a luz verde é aplicada, os elétrons passam pelo estado de spin e, eventualmente, alcançam ms = 0 e podem ser manipulados em outros experimentos. Onde a maioria dos materiais exibe estados quânticos fugazes, os diamantes os mantêm.
Outras
Os diamantes são lipofílicos e hidrofóbicos, o que significa que a superfície de um diamante não pode ser molhada por água mas pode facilmente perder o brilho ou ser molhada por óleo. Sob temperatura ambiente os diamantes não reagem com a maioria dos reagentes químicos, incluindo vários tipos de ácidos e álcalis. Assim, ácidos e álcalis podem ser usados para refinar diamantes sintéticos. Pode-se contudo se incendiar o diamante no ar.
Os diamantes são extremamente raros, com concentrações de, no máximo, partes por mil milhões na rocha-mãe. Antes do século XX, a maioria dos diamantes era encontrada em depósitos aluviais. Diamantes soltos também são encontrados ao longo de linhas de costa atuais e antigas, onde tendem a acumular-se devido ao seu tamanho e densidade.:149 Raramente, foram encontrados em till glacial (notavelmente em Wisconsin e Indiana), mas estes depósitos não têm qualidade comercial.:19 Estes tipos de depósito derivaram de intrusões ígneas localizadas através de meteorização e transporte pelo vento ou pela água. A maioria dos diamantes provém do manto da Terra, no entanto, existem outras fontes. Alguns blocos da crosta, ou terrenos, foram enterrados a profundidades altas o suficiente, à medida que a crosta espessava, para que sofram metamorfismo de ultra-alta pressão. Estes apresentam microdiamantes uniformemente distribuídos que não mostram sinais de transporte por magma. Além disso, quando meteoritos atingem o solo, a onda de choque pode produzir temperaturas e pressões suficientemente elevadas para a formação de microdiamantes e nanodiamantes. Microdiamantes do tipo impacto podem ser usados como indicadores de antigas crateras de impacto. A Estrutura de impacto de Popigai na Rússia pode ter o maior depósito de diamantes do mundo, estimado em biliões de quilates, formado pelo impacto de um asteroide.
Distribuição à superfície
Os diamantes estão longe de estar distribuídos uniformemente pela Terra. Uma regra prática conhecida como regra de Clifford estabelece que eles são quase sempre encontrados em kimberlitos na parte mais antiga dos cratões, os núcleos estáveis dos continentes com idades típicas de 2,5 mil milhões de anos ou mais.:314 No entanto, existem exceções. A Mina de diamantes Argyle na Austrália, o maior produtor de diamantes em peso no mundo, está localizada num cinturão móvel, também conhecido como cinturão orogénico, uma zona mais fraca que rodeia o cratão central e que sofreu tectónica compressiva. Em vez de kimberlito, a rocha hospedeira é o lamproíto. Lamproítos com diamantes que não são economicamente viáveis também são encontrados nos Estados Unidos, Índia e Austrália. Além disso, diamantes no cinturão de Wawa da província Superior no Canadá e microdiamantes no arco insular do Japão são encontrados num tipo de rocha chamado lamprófiro.
Exploração
As chaminés de kimberlito podem ser difíceis de encontrar. Sofrem meteorização rápida (em poucos anos após a exposição) e tendem a ter um relevo topográfico mais baixo do que a rocha circundante. Se forem visíveis em afloramentos, os diamantes nunca são visíveis porque são muito raros. Em todo o caso, os kimberlitos estão frequentemente cobertos por vegetação, sedimentos, solos ou lagos. Nas buscas modernas, métodos geofísicos, como levantamentos aeromagnéticos, resistividade elétrica e gravimetria, ajudam a identificar regiões promissoras para explorar. Isto é auxiliado pela datação isotópica e modelação da história geológica. Depois, os prospetores devem deslocar-se à área e recolher amostras, procurando fragmentos de kimberlito ou minerais indicadores. Estes últimos têm composições que refletem as condições onde os diamantes se formam, como o esgotamento extremo de material fundido ou pressões elevadas em eclogitos. No entanto, os minerais indicadores podem ser enganadores; uma abordagem melhor é a Geotermobarometria, onde as composições dos minerais são analisadas como se estivessem em equilíbrio com os minerais do manto.
Idades
Os diamantes são datados através da análise de inclusões utilizando o decaimento de isótopos radioativos. Dependendo das abundâncias elementares, pode-se observar o decaimento de rubídio para estrôncio, samário para neodímio, urânio para chumbo, árgon-40 para árgon-39 ou rénio para ósmio. Aqueles encontrados em kimberlitos têm idades que variam de 1 a 3,5 mil milhões de anos, e pode haver múltiplas idades no mesmo kimberlito, indicando múltiplos episódios de formação de diamantes. Os próprios kimberlitos são muito mais jovens. A maioria deles tem idades entre dezenas de milhões e 300 milhões de anos, embora existam algumas exceções mais antigas (Argyle, Premier e Wawa). Assim, os kimberlitos formaram-se independentemente dos diamantes e serviram apenas para os transportar para a superfície. Os kimberlitos são também muito mais jovens do que os cratões através dos quais irromperam. A razão para a falta de kimberlitos mais antigos é desconhecida, mas sugere que houve alguma mudança na química do manto ou na tectónica. Nenhum kimberlito entrou em erupção na história humana.
Origem no manto
A maioria dos diamantes com qualidade de gema provém de profundidades de 150–250 km na litosfera. Tais profundidades ocorrem abaixo dos cratões em quilhas do manto, a parte mais espessa da litosfera. Estas regiões têm pressão e temperatura suficientemente elevadas para permitir a formação de diamantes e não estão em convecção, pelo que os diamantes podem ser armazenados durante mil milhões de anos até que uma erupção de kimberlito os amostre. As rochas hospedeiras numa quilha do manto incluem o harzburgito e o lherzolito, dois tipos de peridotito. O tipo de rocha mais dominante no manto superior, o peridotito, é uma rocha ígnea que consiste principalmente nos minerais olivina e piroxena; é baixo em sílica e alto em magnésio. No entanto, os diamantes em peridotito raramente sobrevivem à viagem até à superfície. Outra fonte comum que mantém os diamantes intactos é o eclogito, uma rocha metamórfica que tipicamente se forma a partir de basalto à medida que uma placa oceânica mergulha no manto numa zona de subducção.
Fontes de carbono
O manto tem aproximadamente mil milhões de gigatoneladas de carbono (para comparação, o sistema atmosfera-oceano tem cerca de 44.000 gigatoneladas). O carbono tem dois isótopos estáveis, 12C e 13C, numa proporção de aproximadamente 99:1 por massa. Esta proporção tem uma ampla variação em meteoritos, o que implica que também variou muito na Terra primitiva. Pode também ser alterada por processos de superfície como a fotossíntese. A fração é geralmente comparada com uma amostra padrão usando uma proporção δ13C expressa em partes por mil. Rochas comuns do manto, como basaltos, carbonatitos e kimberlitos, têm proporções entre −8 e −2. Na superfície, os sedimentos orgânicos têm uma média de −25, enquanto os carbonatos têm uma média de 0.
Formação e crescimento
Os diamantes no manto formam-se através de um processo metassomático onde um fluido ou magma C–O–H–N–S dissolve minerais numa rocha e os substitui por novos minerais. (O termo vago C–O–H–N–S é vulgarmente utilizado porque a composição exata não é conhecida.) Os diamantes formam-se a partir deste fluido, quer por redução do carbono oxidado (ex: CO2 ou CO3), quer por oxidação de uma fase reduzida como o metano. Utilizando sondas como luz polarizada, fotoluminescência e catodoluminescência, pode-se identificar uma série de zonas de crescimento nos diamantes. O padrão característico nos diamantes da litosfera envolve uma série quase concêntrica de zonas com oscilações muito finas na luminescência e episódios alternados onde o carbono é reabsorvido pelo fluido e depois cresce novamente. Os diamantes de baixo da litosfera têm uma textura mais irregular, quase policristalina, refletindo as temperaturas e pressões mais elevadas, bem como o transporte dos diamantes por convecção.
Aplicações
O uso como adorno (gema) é milenar, na Índia era usado para identificar as castas. Por ter grande índice de refração, é a gema mais brilhante. Por ser a substância mais dura da natureza, "não arranha" e por isso, seu brilho é eterno. Os diamantes que não têm uso joalheiro terão uso industrial, pois são grandes abrasivos. O valor da gema diamante (uso joalheiro), como o de todas as coisas, depende da oferta e da procura. Como o diamante é um mineral abundante na natureza, na década de 1950, o Instituto Gemologico Americano (GIA - Gemological Institute of America) criou um padrão de classificação para tornar possível a comercialização do diamante globalmente. Esse padrão foi criado para classificar diamantes da escala de incolores à matizadas (levemente amarelado ou acinzentado), os diamantes coloridos naturalmente são mais raros e possuem classificação diferente.
Aplicações em nanométrica
O diamante tem aplicações emergentes em nanofotônica, sistemas mecânicos micro elétricos e blindagem de radiação. Mas como esse material se comporta em escala nanométrica. Nano-agulhas de diamante, aproximadamente 20 nm de comprimento ou 10 000 vezes menores que um cabelo humano, se dobram, se deformam, mudam de estado e rachaduras.
Uma vez selecionados, os diamantes são cortados e talham-se ao longo de direções nas quais a dureza é menor. Uma talha bem realizada é aquela que realça o foco, ou seja, o conjunto de reflexos de cores derivados dos reflexos.
Atualmente, existe a possibilidade de fazer diamantes sintéticos, submetendo grafite a pressões elevadas. No entanto, o resultado são quase sempre cristais de dimensões reduzidas para poderem ser comercializados como gemas. A chance de adquirir um diamante sintético no lugar de um natural é quase nula, sendo inclusive inferior à possibilidade de encontrar gemas que os comerciantes dizem ser diamante mas que não o são realmente. A estabilidade térmica do diamante sintético é menor do que o natural, em ambiente oxidativo, como ao ar, o diamante sintético oxida (grafitiza) a temperaturas em torno de 850 °C. Já em atmosfera controlada sua resistência a grafitização é próxima aos 1 200 °C. Embora já em 1880 J. Balentine Hannay, um químico escocês, tivesse produzido minúsculos cristais, só em 1955 cientistas da General Electric Company conseguiram um método eficaz para a síntese de diamantes. Este feito foi creditado a Francis Bundy, Tracy Hall, Herbert M. Strong e Robert H. Wentorf, depois de investigações efetuadas por Percy W. Bridgeman na Universidade de Harvard. Os diamantes assim conseguidos eram de qualidade industrial (não gemológica), sendo hoje em dia produzidos em larga escala. Cristais com a qualidade de pedras preciosas, só se conseguiram sintetizar em 1970 por Strong e Wentorf, num processo que exige pressões e temperaturas extremamente elevadas.
Um diamante azul com cerca de 12,03 quilates foi vendido, em 11 de novembro de 2015, pela leiloeira Sotheby's, em Genebra, por um preço recorde de 43,2 milhões de francos suíços (cerca de 40 milhões de euros). Foi o "preço mais alto por quilate" alguma vez conseguido por diamantes. Encontrado a 16 de novembro de 2015 na mina de Karowe, no Botsuana, o ‘Lesedi la Rona’ (Nossa luz) foi a leilão dia 29 de junho de 2016 em Londres pela Sotheby’s. Esperava-se que pudesse atingir um valor superior a 60 milhões de euros. Tem 1 109 quilates (222 gramas) é quase do tamanho de uma bola de ténis e é o maior diamante descoberto em mais de cem anos. Não foi vendido, pois não apareceram interessados. Em setembro de 2016, o diamante mais caro de sempre foi comprado pela empresa De Grisogono, num leilão privado da Sothebys, de Londres por 56 milhões de euros. O diamante tem o nome de “The Constellation”, tem 813 quilates, mede 6 centímetros e foi encontrado no Botswana.
