Εξειδικευμένες ιδιότητες

Χρησιμεύει σε ηλεκτρονικές διατάξεις εξαιτίας των ηλεκτρικών του ιδιαιτεροτήτων, ενώ ταυτόχρονα είναι απαραίτητο σε κυκλώματα για την θερμική του αγωγιμότητα. Είναι το πιο σκληρό υλικό στο σύμπαν και το πιο αμετάβλητο αφού διαθέτει θερμική και χημική σταθερότητα. Έχει την μεγαλύτερη διαφάνεια από όλα τα υλικά και είναι το πιο άκαμπτο ορυκτό. Και κάτι καταπληκτικό, δεν επηρεάζεται από τις μεταβολές της θερμοκρασίας, καθώς παρουσιάζει μικρή θερμική μεταβολή όγκου. Θα αναφερθούμε λίγο πιο διεξοδικά στις καταπληκτικές αυτές ιδιότητές του και θα δούμε τις εφαρμογές τους.

Ηλεκτρισμός (μονωτής και ημιαγωγός)

Το διαμάντι λόγω της μεγάλης κρυσταλλοχημικής του ενέργειας, η οποία δεν μπορεί εύκολα να ξεπεραστεί για να επηρεαστεί η φυσικοχημική του ισορροπία, αλλά και εξαιτίας της μεγάλης καθαρότητας που διαθέτει ως υλικό σχεδόν 99,99% καθαρός άνθρακας, είναι ένας άριστος ηλεκτρικός μονωτής. Τα διαμάντια δηλαδή δεν επιτρέπουν στο ηλεκτρικό ρεύμα να διαπερνά την μάζα τους. Εξαίρεση σε αυτό αποτελούν ορισμένα φυσικά μπλε διαμάντια τα οποία είναι ημιαγωγοί, περνά δηλαδή μόνο μικρό ποσό ηλεκτρισμού. Η διαφοροποίηση των μπλε διαμαντιών οφείλεται στην παρουσία του ιχνοστοιχείου βορείου στην κρυσταλλοχημεία τους. Το βόριο σε κάποιο ελάχιστο ποσοστό αντικαθιστά ορισμένα άτομα άνθρακα εντός του κρυσταλλικού πλέγματος. Ο άνθρακας έχει τέσσερα αδέσμευτα ηλεκτρόνια, ενώ το βόριο έχει τρία, συνέπεια αυτού είναι κάποιο από τα γειτονικά άτομα του άνθρακα να μην μπορεί να ενωθεί με το βόριο κι έτσι να μένουν αδέσμευτα ηλεκτρόνια μέσα στον κρύσταλλο (σχήμα 1). Αυτή η παρουσία των αδέσμευτων ηλεκτρονίων ευνοεί την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Όμως το μπλε χρώμα και η ημιαγωγιμότητα δεν είναι κανόνας, διότι δεν είναι ημιαγωγοί όλα τα μπλε διαμάντια. Τα φυσικά μπλε διαμάντια που εξορύσσονται από το αδαμαντορυχείο Argyle στην Αυστραλία, δεν είναι ημιαγωγοί, διότι το χρώμα τους δεν οφείλεται στην παρουσία βορίου, αλλά στην παρουσία υδρογόνου το οποίο δεν επηρεάζει την ηλεκτρική ουδετερότητα του διαμαντιού. Ημιαγωγοί είναι επίσης τα συνθετικά μπλε διαμάντια, τα οποία οφείλουν επίσης το χρώμα τους στην παρουσία του βορίου.

Η ημιαγωγιμότητα πολλές φορές είναι πιο χρήσιμη από την πλήρη αγωγιμότητα. Σε αρκετές ηλεκτρονικές διατάξεις επιθυμούμε την ροή μικρής και ελεγχόμενης ποσότητας ηλεκτρισμού παρά την συνεχή και ανεξέλεγκτη. Αυτό επιτυγχάνεται καλύτερη με την χρήση ημιαγωγών. Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί πολύ εξειδικευμένες μέθοδοι σύνθεσης διαμαντιών, μία από αυτές είναι και η CVD (Chemical Vapor Deposition), δηλαδή η ανάπτυξη διαμαντιών με χημική απόθεση ατμίδων άνθρακα. Αυτά τα συνθετικά διαμάντια παρουσιάζουν ημιαγωγιμότατη χωρίς να περιέχουν το ιχνοστοιχείο βόριο.

Γνωρίζουμε την βιομηχανική χρησιμότητα του διαμαντιού κυρίως για την διατρητική, την λειαντική και την κοπτική του ικανότητα. Οι περισσότεροι όμως δεν ξέρουμε ότι ανέκαθεν ήταν το ασυναγώνιστο υλικό για την κατασκευή ενεργών ηλεκτρονικών συσκευών, οι οποίες χρησιμοποιούσαν μεγάλη ισχύ και υψηλές συχνότητες. Υπήρχε όμως περιορισμός σε αυτήν την χρήση λόγω μη αφθονίας, γεγονός που ξεπεράστηκε με την επίτευξη παραγωγής συνθετικών διαμαντιών για βιομηχανικούς σκοπούς. Η εξερεύνηση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων του διαμαντιού μόλις έχει ξεκινήσει. Οι ηλεκτρονικές συσκευές που θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν διαμάντι στην λειτουργία τους είναι τα δίκτυα υψηλής τάσης, δίκτυα διανομής ισχύος και συστήματα επικοινωνιών υψηλών συχνοτήτων. Οι συγκρίσεις σε θεωρητικό επίπεδο έχουν δείξει ότι τα CVD διαμάντια παρέχουν πιο ουσιαστική βοήθεια και μεγαλύτερη απόδοση από άλλα καθιερωμένα ηλεκτρονικά υλικά, όπως το πυρίτιο ή κράματα του γαλλίου με το στοιχείο αρσενικό. Έτσι η επαναστατική νέα μέθοδος σύνθεσης των διαμαντιών CVD, αποδεικνύοντας ότι μπορεί να κάνει διαμάντια που είναι ημιαγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος, θα ανοίξει νέους ορίζοντες στις τεχνολογικές χρήσεις του.

Θερμική αγωγιμότητα

Συνήθως τα υλικά που είναι μονωτές του ηλεκτρισμού είναι και μονωτές της θερμότητας. Είναι δηλαδή ψυχρά σώματα και δεν επιτρέπουν την θερμική ενέργεια να περάσει από την μάζα τους. Το διαμάντι για μία φορά ακόμα κάνει την διαφορά διαθέτοντας υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Η θερμική αγωγιμότητα είναι ένα μέγεθος που μας δείχνει εάν ένα σώμα μπορεί να μεταφέρει θερμότητα και με ποιο ρυθμό. Το διαμάντι είναι καλός αγωγός της θερμότητας εξαιτίας του ομοιοπολικού δεσμού των ατόμων του άνθρακα της δομής του. Αυτός ο χημικός δεσμός είναι ελαστικός και επιτρέπει στα άτομα του άνθρακα να εκτελούν θερμική ταλάντωση. Όλα τα διαμάντια είναι καλοί αγωγοί της θερμότητας ακόμα κι αυτά που εμφανίζουν ημιαγωγιμότητα. Η θερμική αγωγιμότητα των φυσικών διαμαντιών έχει μετρηθεί κατά μέσο όρο σε 2200 W/mK, μια τιμή που θεωρείται πολύ υψηλή. Ορισμένοι συνθετικοί κρύσταλλοι, έχουν την μεγαλύτερη θερμική αγωγιμότητα από όλα τα γνωστά στερεά σώματα 3320 W/mK, πέντε φορές μεγαλύτερη από αυτήν του χαλκού. Εξαιτίας αυτής της ιδιότητάς του, χρησιμοποιούνται στην κατασκευή ημιαγωγών, για να προστατεύουν το πυρίτιο και άλλα ημιαγώγιμα υλικά από την υπερθέρμανση.

Η ιδιαιτερότητα του διαμαντιού να είναι καλός αγωγός της θερμότητας, έχει χρησιμοποιηθεί και σαν διαγνωστική δοκιμασία για την αναγνώριση της ταυτότητάς του. Για τον λόγο αυτό κατασκευάστηκε ένα όργανο που κάνει ηλεκτρονικό θερμικό έλεγχο, για να διαχωρίζει το διαμάντι από τις απομιμήσεις του. Δηλαδή το όργανο αυτό διαχωρίζει τους καλούς αγωγούς της θερμότητας από τους κακούς αγωγούς, κι επειδή όλες οι απομιμήσεις του διαμαντιού είναι κακοί αγωγοί της θερμότητας, ο διαχωρισμός είναι απλός. Η διάταξή του αποτελείται από ένα ζευγάρι θερμοαγωγών, που λειτουργούν με μπαταρίες, και συνδέονται με λεπτά νήματα χαλκού. Ο ένας από τους θερμικούς αγωγούς λειτουργεί ως συσκευή θέρμανσης, ενώ ο άλλος μετρά την θερμοκρασία του νήματος του χαλκού. Όταν το νήμα του χαλκού ακουμπήσει σε διαμάντι το διαμάντι απορροφά γρήγορα την θερμότητα και το όργανο «χτυπά», ενημερώνοντάς μας ότι η πέτρα είναι διαμάντι κι όχι απομίμηση. Η όλη διαδικασία δεν διαρκεί περισσότερο από 2 με 3 δευτερόλεπτα. Αυτό ίσχυε μέχρι το 1998. Από το 1998 και μετά που ό άνθρωπος έφτιαξε συνθετικό μοϊσσανίτη (moissanite), οι συσκευές αυτές είναι αναξιόπιστες, διότι ο μοϊσσανίτης είναι κι αυτός καλός αγωγός της θερμότητας. Φυσικά η θερμική αγωγιμότητα του μοϊσσανίτη είναι πολύ μικρότερη από αυτήν του διαμαντιού, περίπου πέντε φορές, όμως δεν παύει να είναι κι αυτός καλός αγωγός της θερμότητας. Έτσι αναγκαστικά βελτιώσανε τους θερμικούς ανιχνευτές και δημιουργήσανε έναν πιο ευαίσθητο όργανο που διαχωρίζει το διαμάντι και από τον μοϊσσανίτη.

Υπάρχει όμως και κάτι άλλο σχετικά με την θερμότητα και το διαμάντι που είναι «ασυνάρτητο». Η θερμική διαστολή στο διαμάντι είναι ελάχιστη, δηλαδή το διαμάντι μεταβάλλει ελάχιστα την όγκο του με τις αλλαγές της θερμοκρασίας. Όπως ξέρουμε όταν ένα σώμα θερμαίνεται διαστέλλεται κι όταν ψύχεται συστέλλεται. Το διαμάντι ενώ πολύ εύκολα θερμαίνεται ή ψύχεται, δεν διαστέλλεται ούτε συστέλλεται. Είναι έντονα θερμοδυναμικό σώμα, η συμπεριφορά του όμως είναι συμπεριφορά ψυχρού σώματος. Παράδειγμα, το ρουμπίνι απορροφά την θερμότητα με 98% λιγότερη ταχύτητα από το διαμάντι, κι όμως το ρουμπίνι διαστέλλεται 83% πιο έντονα από το διαμάντι. Το διαμάντι απορροφά την θερμότητα 80% πιο γρήγορα από τον μοϊσσανίτη, ενώ ο μοϊσσανίτης διαστέλλεται με διπλάσιο ρυθμό από το διαμάντι.

Φυσική σταθερότητα

Το διαμάντι είναι μία από τις μορφές που εμφανίζεται ο καθαρός άνθρακας στην φύση. Το διαμάντι ως κρύσταλλος είναι σταθερό σώμα. Σταθερότητα στην χημεία και την φυσική εννοείτε η ιδιότητα των σωμάτων να μένουν αμετάβλητα με τις μεταβολές της θερμοκρασίας και της πίεσης και η απάθειά τους έναντι των χημικών προσβολών. Μελέτες και πειράματα έχουν δείξει ότι για να λειώσει ή να επηρεαστεί από την θερμότητα ένα διαμάντι πρέπει να θερμανθεί πάνω από τους 3000οC.

Το διαμάντι δημιουργείται σε τεράστια βάθη που επικρατούν υψηλές θερμοκρασίες, αλλά κυρίως τεράστιες πιέσεις. Ο γραφίτης η άλλη κρυσταλλική μορφή του άνθρακα, δημιουργείται σε υψηλές θερμοκρασίες αλλά σε χαμηλές πιέσεις. Στις συνθήκες που επικρατούν στην επιφάνεια της γης, η σταθερή κρυσταλλική μορφή του άνθρακα είναι ο γραφίτης κι όχι το διαμάντι. Έτσι θερμοδυναμικά όσα διαμάντια βρίσκονται στην επιφάνεια της γης έχουν την τάση να μετατραπούν σε γραφίτη. Αυτό όμως είναι πρακτικά αδύνατον και χωρίς την βοήθεια του ανθρώπου δεν μπορεί να γίνει με φυσικούς τρόπους. Ο κρύσταλλος του διαμαντιού δημιουργείται υπό τεράστιες πιέσεις και με τον ισχυρό ομοιοπολικό δεσμό μεταξύ των ατόμων του άνθρακα. Αυτό του δίνει πολύ μεγάλη ενεργειακή κατάσταση που για να ανατραπεί απαιτούνται μεγάλα ποσά ενέργειας, τα οποία στην επιφάνεια της γης δεν γίνεται να βρεθούν με φυσικά μέσα, παρά μόνο τεχνητά με την υποστήριξη του ανθρώπου. Έτσι το διαμάντι στην επιφάνεια της γης δεν κινδυνεύει να αλλάξει κατάσταση (από στερεό να γίνει υγρό, τήγμα ή αέριο), ούτε κινδυνεύει να αλλάξει μορφή (να γίνει γραφίτης ή κάποια άλλη μορφή άνθρακα).

Το διαμάντι όμως είναι και χημικά αδρανές, αυτό οφείλεται για άλλη μία φορά στον ισχυρό ομοιοπολικό δεσμό του, ο οποίος δεν σπάει εύκολα. Σαν αποτέλεσμα δεν το διαβρώνουν τα οξέα και τα περισσότερα αντιδραστήρια. Εξαίρεση αποτελούν κάποια χημικά τα οποία σε υψηλές θερμοκρασίες της τάξης των 900°C δρουν σαν οξειδωτικές ουσίες και επηρεάζουν χημικά το διαμάντι. Καταλαβαίνουμε πως πρακτικά κάτι τέτοιο είναι αδύνατον και μόνο εργαστηριακά και ηθελημένα πραγματοποιείται. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες κάποια άλατα όπως το νιτρικό νάτριο προσβάλλουν το διαμάντι αλλά και πάλι όμως οι συνθήκες που απαιτούνται, ξεφεύγουν των συνηθισμένων και είναι της τάξης των 450°C. Στην γήινη ατμόσφαιρα το διαμάντι ξεκινά να οξειδώνεται περίπου γύρω στους 650°C. Πρακτικά δηλαδή σε κανένα σημείο της γήινης επιφάνειας, δεν γίνεται να οξειδωθεί η εξωτερική επιφάνεια ενός διαμαντιού.

Στην φύση υπάρχει η δυνατότητα της χημικής προσβολής του διαμαντιού. Αυτό μπορούν να το επιτύχουν ορισμένα μεταλλικά στοιχεία, τα οποία αντιδρούν με τον άνθρακα και σχηματίζουν χημικές ενώσεις που ονομάζονται καρβίδια. Αυτές είναι και οι μόνες φυσικές ουσίες που μπορούν να έρθουν σε επαφή με τα διαμάντια και να τα προσβάλλουν χημικά. Δηλαδή μεταλλικά στοιχεία που απαντούν εντός του στερεού φλοιού της γης προσβάλλουν χημικά τα διαμάντια. Αυτά τα μέταλλα ανήκουν στην πρώτη ομάδα των στοιχείων μεταπτώσεως και είναι ο σίδηρος, το κοβάλτιο, το μαγγάνιο, το νικέλιο, το χρώμιο και το τιτάνιο. Επίσης καρβίδια σχηματίζουν τα μέταλλα βολφράμιο, ταντάλιο, ζιρκόνιο, ο χρυσός και το στοιχείο λευκόχρυσος (αυτό που στην χρυσοχοΐα ονομάζουν πλατίνα). Η χημική αντίδραση μεταξύ αυτών των μετάλλων και του διαμαντιού πραγματοποιείται σε υψηλές θερμοκρασίες και σε ρευστή κατάσταση και πραγματικά το διαμάντι διαλύεται. Όμως αυτό συμβαίνει στο εσωτερικού του στερεού φλοιού της γης και μπορεί να επηρεάσει τα διαμάντια πριν φτάσουν στην επιφάνεια.

Διαφάνεια στις ακτινοβολίες

Το διαμάντι είναι πραγματικά διαφανές σχεδόν σε όλες τις ακτινοβολίες. Από το υπεριώδες φως στα 225 nm, το ορατό στον άνθρωπο φως, μέχρι και πέρα από τα μικροκύματα στην ακτινοβολία που εκπέμπουν τα ραντάρ. Για την διαφάνειά του αυτή σχεδόν σε όλο το μήκος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, το διαμάντι χρησιμοποιήθηκε σε οπτικές εφαρμογές όπως τα υπέρυθρα παράθυρα laser. Όμως το πρόβλημα του κόστους, καθώς απαιτούνταν φυσικά διαμάντια μεγάλου μεγέθους, ώθησε σε άλλες λύσεις όπως στο άλας του σεληνούχου ψευδάργυρου (ZnSe). Ευτυχώς τα τελευταία χρόνια με την μέθοδο σύνθεσης διαμαντιών CVD ξεπεράστηκε αυτό το εμπόδιο μιας και το διαμάντι είναι πιο αποδοτικό διότι είναι πιο σκληρό κι έχει πιο μεγάλη θερμική αγωγιμότητα. Ανθεκτικότητα - Ακαμψία

Σε αντίθεση με την ακραία σκληρότητά του, που το κατατάσσει στην πρώτη θέση από όλα τα γνωστά υλικά, η ανθεκτικότητά του είναι μέτρια. Δηλαδή ενώ η αντίστασή του στην τριβή και στην χάραξη είναι η μεγαλύτερη από όλα τα υλικά, η ακαμψία του (η αντοχή δηλαδή στην παραμόρφωση και στην μηχανική καταπόνηση) θεωρείται μέτρια εάν συγκριθεί με τα δομικά και τα βιομηχανικά υλικά. Όμως σε σύγκριση με τους υπολοίπους πολύτιμους λίθους είναι πάλι ο πιο άκαμπτος με διαφορά. Είναι 67% πιο ανθεκτικός στην παραμόρφωση από το ρουμπίνι, 55% πιο άκαμπτος από τον μοϊσσανίτη και 92% πιο ανθεκτικός από τον χαλαζία.

Βλέπουμε πως καταρρίπτεται ο μύθος ότι το διαμάντι είναι εύθραυστο. Επειδή σε όλη την βιβλιογραφία αναφέρεται ότι το διαμάντι έχει τελειότατο σχισμό, οι περισσότεροι πιστεύουν ότι το διαμάντι σπάει εύκολα. Όμως όπως είδαμε και πιο πάνω όχι μόνο δεν σπάει εύκολα αλλά είναι και το πιο άκαμπτο μεταξύ των πολυτίμων λίθων. Η έννοια του τελειότατου σχισμού αναφέρεται: όταν το διαμάντι σπάσει σπάει σε επιφάνειες που είναι τέλεια επίπεδα. Φυσικά δεν ισχύει το ίδιο για φυσικά μικροπολυκρυσταλλικά συσσωματώματα διαμαντιών όπως είναι τα Ballas και το carbonado. Τα πολυκρυσταλλικά αυτά υλικά είναι πιο συνεκτικά από έναν απλό κρύσταλλο διαμαντιού, διατηρώντας όμως την υψηλή σκληρότητά του. Χρησιμοποιούνται σε γεωτρύπανα βαθιών διεισδύσεων και άλλες απαιτητικές βιομηχανικές εφαρμογές