Il diamante è il materiale naturale più duro che conosciamo, capace di scalfire quasi ogni altra sostanza senza rovinarsi. Eppure è fatto di carbonio, lo stesso elemento della grafite tenera con cui scriviamo. Come è possibile? La risposta si nasconde nella disposizione degli atomi, un capolavoro di geometria naturale. Ecco la scienza dietro la durezza del diamante.
Che cosa significa “duro”
In mineralogia la durezza indica la resistenza di un materiale a essere graffiato. Per misurarla si usa da oltre due secoli la scala di Mohs, che ordina i minerali da 1 a 10: il talco, tenerissimo, sta al primo posto; il diamante occupa il decimo, il valore massimo. Un materiale più duro può scalfirne uno più tenero, ma non viceversa.
Attenzione però a non confondere durezza e tenacità. Un diamante è durissimo, cioè difficilissimo da graffiare, ma non è indistruttibile: un colpo secco nella direzione giusta può romperlo. Durezza e resistenza agli urti sono due proprietà diverse.
Tutto parte dal carbonio
La cosa più sorprendente è che il diamante è composto da un solo elemento: il carbonio. Lo stesso carbonio forma anche la grafite, il materiale scuro e friabile della “mina” delle matite, che si sfalda con facilità. Due sostanze dalle proprietà opposte, fatte degli stessi identici atomi.
La differenza non sta negli ingredienti, ma nel modo in cui gli atomi sono collegati tra loro. Quando lo stesso elemento può assumere strutture diverse, i chimici parlano di “forme allotropiche”. Diamante e grafite sono i due esempi più famosi di allotropia del carbonio.
La geometria che fa la differenza
Nel diamante ogni atomo di carbonio è legato saldamente ad altri quattro atomi, disposti ai vertici di un tetraedro, una struttura a forma di piramide. Questi legami si ripetono in ogni direzione, dando vita a un reticolo tridimensionale estremamente compatto e rigido.
È come se ogni atomo fosse trattenuto da tutti i suoi vicini con la stessa forza, in una rete che si estende in modo uniforme in tutte le direzioni. Per spostare o rompere questi legami serve un’enorme quantità di energia: ecco perché il diamante resiste ai graffi.
Perché la grafite è invece tenera
Nella grafite gli atomi di carbonio si organizzano in fogli piani, disposti a strati sovrapposti. All’interno di ogni foglio i legami sono forti, ma tra un foglio e l’altro le forze che li tengono uniti sono molto deboli.
Questi strati possono così scivolare l’uno sull’altro con facilità, proprio come le carte di un mazzo. È per questo che la grafite lascia il segno sulla carta e risulta tenera: gli strati si staccano al minimo attrito. Lo stesso elemento, disposto in modo diverso, produce un comportamento opposto.
Diamanti naturali e diamanti da laboratorio
In natura i diamanti si formano in profondità nel mantello terrestre, dove pressioni e temperature altissime costringono il carbonio ad assumere la struttura compatta tipica di questo minerale. Solo particolari fenomeni geologici li portano poi vicino alla superficie.
Oggi è possibile produrre diamanti anche in laboratorio, ricreando in modo controllato condizioni di alta pressione e temperatura, oppure facendo crescere il cristallo a partire da gas ricchi di carbonio. I diamanti sintetici hanno le stesse proprietà di quelli naturali e trovano largo impiego nell’industria. Il carbonio, del resto, riserva sorprese anche altrove nel cosmo: ne parliamo nell’articolo sulla pioggia di diamanti su Nettuno e Urano.
A cosa serve la durezza del diamante
Solo una piccola parte dei diamanti finisce in gioielleria. La maggior parte viene usata proprio per la sua durezza: punte da trapano, dischi da taglio, utensili per lavorare metalli e pietre, strumenti di precisione. Nell’industria e nella ricerca, un materiale capace di incidere quasi tutto il resto è prezioso quanto e più di un gioiello. Per approfondire le proprietà di questo minerale, la voce dedicata al diamante su Wikipedia offre un quadro scientifico completo.
Domande frequenti
Perché il diamante è così duro?
Perché ogni atomo di carbonio è legato saldamente ad altri quattro in un reticolo tridimensionale compatto e rigido, difficilissimo da deformare o graffiare.
Diamante e grafite sono davvero fatti della stessa cosa?
Sì, entrambi sono formati solo da carbonio. Cambia però la disposizione degli atomi, e con essa le proprietà: sono forme allotropiche del carbonio.
Il diamante è indistruttibile?
No. È durissimo, cioè difficile da graffiare, ma non è tenace: un colpo nella direzione giusta può romperlo.
Che cos’è la scala di Mohs?
È una scala da 1 a 10 che misura la durezza dei minerali in base a quale può graffiare quale. Il diamante è al valore massimo, 10.
Come si formano i diamanti in natura?
Si formano in profondità nel mantello terrestre, dove altissime pressioni e temperature costringono il carbonio nella struttura compatta del diamante.
I diamanti da laboratorio sono veri diamanti?
Sì. Hanno la stessa struttura e le stesse proprietà di quelli naturali e sono molto usati nell’industria per la loro durezza.