III. �UNA PINTURA DE DIAMANTE?
EN EL mismo universo donde se mueven los Buend�a puede uno encontrar a ese amigo con el nombre del viajero por excelencia, Ulises. Enamorado, loco por Er�ndira, nos devela el secreto de las naranjas del huerto de su padre: partidas por la mitad, entre jugosos gajos, muestran enormes diamantes, ni siquiera en bruto, sino joyas, monta�as de luz. Comparables, en buena cosecha naranjera, a algunos de los diamantes m�s famosos de la historia, por ejemplo, a una de las fracciones que resultaron del famoso Cullinan del que se dice pesaba 3 106 quilates (un quilate es igual a 0.2 gramos) y fue partido en 9 grandes piedras y 96 peque�as.
Ulises y su padre holand�s acumulan diamantes cosechando naranjas que han de guardar en caja de caudales. Procedimientos fant�sticos que nada tienen que ver con las historias de los viejos buscadores que murieron junto con sus sue�os en los ex�ticos escenarios de África.
Despu�s de haber sido durante una larga �poca la fuente de un porcentaje muy alto de los diamantes que se descubr�an en el mundo, el �frica austral ha pasado a ocupar un lugar m�s bien modesto entre los productores de los valiosos cristales. Quedan las minas abandonadas que muestran las entra�as reventadas del planeta. Como testigo del saqueo se halla un cr�ter de 1 097 metros de profundidad, el m�s profundo que haya excavado el hombre. De ese enorme cr�ter, monumento a la codicia que despierta una de las formas en que se presenta el carbono, sali� el famoso diamante la Estrella de �frica, adorno magn�fico del cetro brit�nico.
S�lo en 1986 se arrancaron a la Tierra 88 millones de quilates. Ni se piense que las t�cnicas del viejo gambusino entran en acci�n en las operaciones a gran escala implicadas por tal cantidad de quilates. Ahora son los bulldozers y otras m�quinas las que remueven toneladas de material por cada quilate. Una fracci�n importante de esos quilates se convierte en joyas, mientras otra parte se usa para fines industriales. Un quilate en bruto es pagado en unos ocho d�lares por las filiales de De Beers, la gran compa��a que controla el mercado de los diamantes. Una vez trabajado, cada quilate de un buen diamante puede llegar a costarle a un particular entre 12 500 y 15 000 d�lares. Por otra parte, aunque no tanto, los diamantes utilizados en la industria resultan tambi�n bastante costosos.
La aplicabilidad industrial del diamante —lo mismo que su belleza como joya— proviene del arreglo de sus �tomos, de esa otra belleza que el ojo humano no puede percibir: a nivel microsc�pico se muestra como un empacamiento de �tomos de carbono en un orden que la figura 3 pretende describir. Este arreglo at�mico confiere a los tales cristalitos una cantidad enorme de propiedades que a su vez los hace codiciables para aplicaciones variad�simas. Alrededor del 60 % de los diamantes que se extraen en el mundo se dedican a usos industriales.
La dureza del diamante es una propiedad proverbial que le viene directamente de la forma en que se enlazan sus �tomos: enlaces fuertes, r�gidos, tetraedrales, los describen los qu�micos. Adem�s, un diamante puro tiene una conductividad el�ctrica extremadamente baja y la conductividad t�rmica m�s alta conocida. Esto es, al mismo tiempo es un excelente aislante el�ctrico y el mejor conductor del calor que se conoce. Si agregamos otras caracter�sticas como las propiedades piezoel�ctricas, las propiedades �pticas y las propiedades qu�micas (tiene una gran resistencia ante los ataques qu�micos), encontraremos una gama ampl�sima de posibles aplicaciones. Algunas de ellas, desafortunada pero previsiblemente, de car�cter militar.
Debe mencionarse que los diamantes no son eternos. No s�lo se queman con relativa facilidad en presencia de ox�geno (quienes primeramente mostraron que el diamante es carbono puro, lo hicieron quem�ndolo) sino que son fr�giles. Los golpes aplicados en direcciones muy particulares los hacen a�icos.
Puede entenderse, pues, que no s�lo se busca al diamante por cuestiones suntuarias y que muchos investigadores se hayan lanzado tras la idea de producir diamantes artificialmente. Esta idea, que pudiera parecer un sue�o engendrado en la mente de Melquiades, taumaturgo all� cada cuando en Macondo y maestro de Jos� Arcadio Buend�a, es perfectamente realizable. Tan realizable y con tan fuertes consecuencias que se afirma que el mundo s�lo conoce una peque��sima parte de los resultados que se obtienen en la investigaci�n de las propiedades del diamante: secretos industriales y secretos militares se atesoran a�n con m�s celo que las naranjas de Ulises.
Figura 3. Representaci�n de la estructura del diamante. Se resalta el hecho de que los enlaces entre �tomos de carbono tienen direcciones muy precisas. Los puntos representan los �tomos y las l�neas entre ellos los enlaces electr�nicos.
Aunque la preocupaci�n del industrial que quiere invertir radica principalmente en los costos, aqu� no hay lugar para analizarlos. Tan s�lo consideraremos las dificultades que los causan.
La figura 4 muestra la estructura de la fase del carbono que es estable en las condiciones que prevalecen en el cascar�n de nuestro planeta: el grafito. La otra fase, el diamante, es metaestable en esas condiciones. Que un sistema se halla en estado metaestable quiere decir que no ha alcanzado el estado de equilibrio sino que se qued� atrapado en un punto intermedio del que una excitaci�n adecuada lo sacar�a para precipitarlo hasta el equilibrio estable. Si la presi�n en la superficie de la Tierra fuera de unos miles de atm�sferas, el diamante ser�a la fase estable y el grafito la metaestable. Podr�a pensarse que la forma de vida racional que existiese en esas condiciones, demasiado comprimida, ver�a al diamante como algo com�n y corriente y se pelear�a por un trozo de grafito puro. Podemos apuntar que si eso sucediera no ser�a con fines suntuarios: el diamante siempre ser� m�s bello que el grafito. Desde luego que todas estas apreciaciones est�ticas son subjetivas y a lo mejor los comprimidos seres de los que hablamos piensan y sienten completamente distinto. Pero esto es harina de otro costal. A quinientas mil atm�sferas el carb�n existir�a s�lo en la fase de diamante.
Figura 4. Representaci�n de la estructura cristalogr�fica de grafito. Los puntos representan los �tomos y las l�neas entre ellos los enlaces electr�nicos.
Al mercado de diamantes lo tienen sin cuidado todas estas discusiones acerca de las metaestabilidades, ya que los fuertes enlaces at�micos que construyen los electrones lo mantienen a salvo. S�; los enlaces qu�micos del carbono le dan seguridad al mercado. Por una parte es muy dif�cil, sin aumentar la temperatura fuertemente, precipitar al carbono en su forma de diamante a su fase de grafito. Por otra, se necesita una cantidad enorme de energ�a para convertir grafito en diamante. Esta energ�a es necesaria para desbaratar los enlaces de la estructura de la figura 4 y reconstruirlos de tal manera que se produzca la estructura de la figura 3.
La posibilidad de sacarle la vuelta a todas las dificultades y, en vez de diamantes en bulto, crear recubrimientos de diamante, as�, como si estuvi�ramos pintando, se vislumbra a trav�s de una publicaci�n firmada por J. W. Rabalais y S. Kasi (Science, Vol. 239, p. 623, febrero de 1988).
La receta se dice f�cil: T�mese una superficie de n�quel perfectamente limpia y apl�quesele, en ultra-alto vac�o, un haz de iones de carbono con energia de 75 electronvoltios hasta que la dosis sea superior a 2 x 1016 iones por cent�metro cuadrado.
Pasemos por alto las dificultades, nada triviales, de conseguir una superficie perfectamente limpia, de crear el ultra-alto vac�o, y de producir el haz de iones de carbono, y planteemos un par de preguntas: �c�mo saben los investigadores que lo que qued� depositado sobre la superficie del n�quel es diamante y no grafito o alguna otra cosa?, �de d�nde sali� la energ�a para producir la fase metaestable del carbono, es decir, el diamante? La raz�n para hacer la primera pregunta nos parece clara. Aun tomando en cuenta las dificultades involucradas, este procedimiento nos parece tan fascinante como fant�stico es cosechar naranjas que envuelven diamantes pulidos. Los se�ores investigadores nos tienen que asegurar que la receta nos va a funcionar siempre. Esto es algo que en la ciencia desempe�a un papel esencial: todo experimento reportado debe ser reproducible. La segunda pregunta es de rigor: si tanto nos ha dicho la experiencia acerca de las dificultades para "hacer" diamantes, �c�mo es que de repente, as� sin m�s, al bombardear una superficie, obtenemos un recubrimiento de diamante?
La respuesta a la primera pregunta es la figura 5. A primera vista, sobre todo a quien no tiene mucha familiaridad con la picolog�a, esto puede parecer un desatino. Antes que nada (y, sobre todo, antes de perder la paciencia) observe el lector que las cuatro curvas (a), (b), (c) y (d), tienen estructuras distintas: fueron producidas con una t�cnica de estudio de superficies que se denomina Espectroscop�a electr�nica Auger o simplemente Auger, cuyos detalles fatigaremos en un cap�tulo posterior.
Figura 5. Evoluci�n de la forma de la l�nea Auger al cambiar la dosis de iones de carbono sobre el n�quel. (a) Curva caracter�stica de carburos de n�quel producida con una dosis de 2.0 x 10 15 iones / cm2, el espesor es de una monocapa; (b) Una dosis entre 6.0 x 1015 y 8.0 x 1015 iones/cm2 produce varias capas en las que todav�a hay compuestos metal-carb�n aunque empiezan a aparecer caracter�sticas del carb�n; (c) Curva caracter�stica del grafito que se produce con dosis de 9.0 x 1015 iones/cm2; (d) Con dosis superiores a 2.0 x 1016 iones/cm2 aparece la l�nea caracter�stica del diamante.
Los gr�ficos de Auger deben considerarse como las huellas digitales de los materiales. A un experto le basta ver uno de esos gr�ficos para decir si ha producido una pel�cula de diamante o de grafito. Imaginemos que tenemos un cat�logo de huellas. La curva (a) nos informar�a que si la dosis de iones de carbono es baja, de unos 2 x 1015 iones por cent�metro cuadrado, apenas para cubrir la superficie con una monocapa, se forman compuestos de n�quel y carbono: carburos de n�quel. Al aumentar la dosis se produce la curva (b), correspondiente a capas de compuestos metal-carb�n y al inicio de combinaciones entre los �tomos de carbono. Cuando el espesor ha crecido suficientemente, de tal manera que el espesor de la pel�cula de carbono no permite "ver" los enlaces n�quel-carbono, la espectroscop�a Auger produce la curva del grafito que aparece en la figura 5 como (c). Mediante otros m�todos los investigadores pudieron comprobar que el paso del n�quel puro al carbono puro se da r�pidamente, o sea, que la regi�n donde aparecen los enlaces n�quel-carbono es muy reducida. La curva (d) es la "huella "del diamante producida a dosis superiores a 2 x 1016 iones por cent�metro cuadrado.
En la figura 6 se comparan, en un rango m�s amplio de energ�a de los electrones sonda, las curvas del grafito y de la pel�cula de diamante. Ah� se ven algunas diferencias entre ambas curvas, diferencias que no se muestran en la figura 5.
Figura 6. Comparaci�n de las curvas Auger obtenidas de una pel�cula de diamante (a) y una de grafito (b).
Prolijos y meticulosos, Rabalais y Kasi usaron al menos otras cuatro t�cnicas de superficie para cerciorarse de que hab�an producido una pel�cula de diamante.
Ahora, dediquemos unas cuantas l�neas al problema de la energ�a de activaci�n necesaria para producir la fase metaestable. Sucede que cuando un ion choca sobre la capa de carbono previamente depositada se producen temperaturas que van de mil a diez mil grados Kelvin. Estos fuertes incrementos de temperatura duran una fracci�n peque��sima de segundo (1011 segundos) y se extienden a un c�rculo que incluye unos cuantos �tomos. Al menos esto es lo que dicen los modelos que permiten explicar la aparici�n de la tan mentada pel�cula. No se tiene otra explicaci�n.
El caso es que ahora "podemos" forrar una pieza con una pel�cula de unas micras de espesor que cambia completamente la forma en la que el material favorecido encara al hostil mundo exterior. Una aplicaci�n trivial ser�a una hoja de afeitar que durara m�s que el usuario. "... y a mi hijo, ya no tan imberbe, le lego mi hoja de afeitar que perteneci� a mi padre y antes a mi abuelo." Los experimentos de Rabalais han tenido �xito sobre otros materiales aparte de n�quel, materiales tales como oro, silicio, y algunos m�s. Falta ver cu�ntos substratos responder�n de igual manera. Podr�amos ahora olvidarnos, si quisi�ramos vivir sin fantas�a, de las naranjas del holand�s, pero, por otro lado, podemos enriquecer nuestras risas porque ya no tenemos que ir a morir a las inh�spitas tierras de las minas de diamante si nuestro inter�s no es una enorme piedra sino que nos basta tan s�lo con los resultados de esta pintura de diamante.
