Un diamante puede rayar prácticamente cualquier material que encontremos en nuestra vida cotidiana. Puede utilizarse para cortar, perforar y trabajar superficies que destrozarían herramientas convencionales. De ahí viene buena parte de su fama de material casi indestructible. Pero basta un golpe en el lugar adecuado para descubrir que esa reputación necesita un asterisco enorme.
El diamante es extremadamente duro, pero no especialmente tenaz. Es decir, se resiste extraordinariamente bien a la deformación y al rayado, pero una grieta que encuentra el camino correcto a través de su estructura cristalina puede propagarse hasta partirlo.
La ciencia lleva décadas intentando quedarse con lo mejor de ambos mundos. Y un equipo encabezado por investigadores del Instituto de Física de la Academia China de Ciencias y la Universidad de Beihang acaba de conseguir uno de los resultados más llamativos hasta ahora: mantener la enorme dureza del diamante mientras multiplica aproximadamente por cinco su resistencia a la fractura. El trabajo fue publicado en julio en Nature Synthesis.
La solución fue meter una especie de armadura dentro del diamante
El problema no era simplemente fabricar un diamante más resistente. Investigaciones anteriores habían probado defectos controlados, estructuras nanogemelas, fases amorfas y otras modificaciones internas. El inconveniente es que muchas estrategias aumentan la tenacidad sacrificando precisamente la dureza que hace interesante al diamante.
El nuevo equipo cambió de estrategia. Introdujo nanotubos de carbono de paredes múltiples en los espacios existentes entre los granos de diamante, formando una red tridimensional que atraviesa el compuesto. La idea recuerda, salvando las enormes diferencias de escala, a las barras metálicas que refuerzan el hormigón: cuando empieza una fractura, aparece otra estructura capaz de absorber y redistribuir parte de esa energía. Pero meter nanotubos entre granos no bastaba.
Los investigadores sometieron el material a aproximadamente 15 gigapascales de presión y temperaturas de hasta 2.000 ºC. Bajo esas condiciones, las capas internas de algunos nanotubos comenzaron a deformarse y reconstruirse parcialmente como diamante.
El resultado fueron interfaces atómicas con enlaces híbridos sp²-sp³ entre ambos materiales. Y ahí estaba el truco. En lugar de deslizarse cuando aparece una grieta, la red de nanotubos queda fuertemente unida a la matriz de diamante y puede ayudar a disipar la energía antes de que la fractura siga avanzando.
Siguió siendo extraordinariamente duro. Lo sorprendente es lo difícil que se volvió romperlo
Las mediciones son bastante contundentes. El compuesto alcanzó una dureza de aproximadamente 91,6 GPa, manteniéndose dentro de la categoría de los materiales superduros. Al mismo tiempo, obtuvo una tenacidad media a la fractura de 31,9 MPa·m¹/², con máximos de 36,4 MPa·m¹/².
Según los investigadores, eso supone alrededor de cinco veces la resistencia a la fractura de un diamante monocristalino y llega incluso a superar los valores de algunas aleaciones de tungsteno. Es una combinación poco habitual.
Un material puede ser muy duro y romperse con relativa facilidad, o deformarse antes de fracturarse pero ser mucho más sencillo de rayar. Conseguir las dos propiedades simultáneamente es uno de los grandes problemas en el diseño de materiales superduros. El equipo chino cree haber encontrado una forma de acercarse mucho más a ese equilibrio.
El siguiente problema es fabricar algo grande con él
Eso no significa que mañana vayamos a fabricar aviones, naves espaciales o herramientas gigantes de este nuevo diamante. El proceso exige presiones y temperaturas extremas, y trasladar las propiedades observadas en las muestras experimentales a componentes industriales grandes, homogéneos y económicamente viables sigue siendo un obstáculo importante.
Si consigue escalarse, sin embargo, las aplicaciones potenciales son importantes. La Academia China de Ciencias apunta a herramientas de corte y perforación y otros componentes destinados a entornos donde los materiales sufren simultáneamente desgaste y grandes tensiones mecánicas. Y esa es quizás la parte más curiosa del descubrimiento.
Durante décadas hemos intentado fabricar materiales capaces de acercarse a la legendaria dureza del diamante. Estos investigadores han tomado el camino contrario: aceptaron que el diamante ya era suficientemente duro y se concentraron en corregir la única cosa que hacía sorprendentemente mal (no romperse).
