Synteettinen timantti

Mineralogia kertoo meille, että sekä grafiitilla että timantilla on sama kemiallinen komponentti: hiili. Grafiitti on pehmeää, kun taas timantti on kovaa, koska niiden kiderakenne on erilainen.

Selitän tarkemmin:

Timantin rakenne on kasvokeskeinen kuutiojärjestely, joka koostuu tetraedristä, jossa kunkin tetraedrin keskushiiliatomi on kovalenttisesti sitoutunut vahvaan, suoraan yhteyteen kärjessä oleviin neljään hiiliatomiin. Kovalenttisten sidosten kyllästymisen ja suuntautuvuuden ansiosta rakenteesta tulee poikkeuksellisen luja.

Selvennykseksi:

Timanttirungolle on ominaista kasvokeskeinen kuutiohila, joka koostuu toisiinsa yhdistetyistä tetraedreistä. Jokaisen tetraedrin sisällä keskushiiliatomi muodostaa kovalenttisia sidoksia neljän ympäröivän hiiliatomin kanssa kulmissa.

Kovalenttisten sidosten luontaiset ominaisuudet, erityisesti niiden kylläisyys ja suuntaus, myötävaikuttavat tämän järjestelyn äärimmäiseen vakauteen ja lujuuteen.

Grafiitin kiderakenne on esitetty kuvassa, jossa hiiliatomit ovat asettuneet tasomaisiin kuusikulmaisiin kerroksiin, jolloin tason sisällä olevien hiiliatomien välinen etäisyys on pieni ja sitoutuu kovalenttisilla sidoksilla, jotka ovat vahvoja ja kiinteitä. Vierekkäisten kerrosten hiiliatomien välinen etäisyys on suuri, van der Waalsin voimien sitoma, mikä johtaa grafiitin pehmeään rakenteeseen. Siksi grafiitti on myös voiteluaine.

Keinotekoisen timantituotannon perusperiaate on muuttaa grafiitin kerroksellinen kuusikulmainen rakenne pintakeskittyneeksi timantin kuutiorakenteeksi. Kaikki synteettiset timantit muunnetaan grafiitista noin 5,6-6 GPa:n paineen ja noin 1300 asteen lämpötilojen olosuhteissa.