Ugljik koji je postao dijamant
Na prvi pogled teško je zamisliti da dijamant i grafit iz obične olovke pripadaju istom elementu. Jedan je proziran, iznimno tvrd i sposoban razviti snažan sjaj. Drugi je taman, mekan i ostavlja trag na papiru.
Razlika nije prvenstveno u tome od čega su sastavljeni, nego u tome kako su njihovi atomi povezani.
U toj razlici između kemijskog sastava i atomske strukture nalazi se prvi ključ za razumijevanje dijamanta.
Jeste li znali? Materijali sastavljeni od istog kemijskog elementa mogu imati potpuno različita svojstva ako su im atomi drukčije raspoređeni i povezani.
Jedan element, više struktura
Dijamant je mineral čiji je osnovni kemijski sastav ugljik. U gemološkoj literaturi često se opisuje kao materijal koji je tipično oko 99,95 % ugljik, dok vrlo mali preostali udio mogu činiti tragovi drugih elemenata i strukturni defekti. Taj broj treba shvatiti kao praktičan opis tipičnog gemološkog dijamanta, a ne kao apsolutnu kemijsku specifikaciju svakoga prirodnog ili laboratorijski uzgojenog kristala.
Upravo te male nepravilnosti mogu imati velik učinak. Tragovi dušika ili bora, vakancije, dislokacije i deformacije kristalne rešetke mogu utjecati na boju, luminescenciju, električna svojstva i laboratorijsku identifikaciju.
Ugljik može postojati u više strukturnih oblika, odnosno alotropa. Među njima su dijamant, grafit, grafen, fulereni i ugljikove nanocijevi. Za gemologiju je najvažnija usporedba dijamanta i grafita.
[VIZUAL 1.1: Isti element, različite strukture — trodimenzionalna dijamantna rešetka nasuprot slojevima grafita]
Tetraedarska mreža dijamanta
U idealnoj dijamantnoj strukturi svaki atom ugljika kovalentno je povezan s četiri susjedna atoma. Veze su raspoređene približno prema vrhovima tetraedra i nastavljaju se kroz kristal u tri dimenzije.
Takav način povezivanja opisuje se kao sp³ hibridizacija. Rezultat je vrlo kruta i snažno povezana kristalna mreža kubične simetrije.
Ta struktura stoji u temelju niza svojstava po kojima je dijamant poseban:
- iznimne otpornosti na grebanje;
- velike krutosti;
- vrlo visoke toplinske vodljivosti kvalitetnog kristala;
- optičke transparentnosti u širokom spektralnom području;
- pravilnog kristalnog rasta;
- karakterističnih ravnina cijepanja;
- velike osjetljivosti optičkih i električnih svojstava na vrlo male strukturne promjene.
Ta ćemo svojstva detaljno razdvojiti u sljedeća dva poglavlja. Ovdje je važno samo načelo: svojstva materijala proizlaze iz njegove atomske arhitekture.
Grafit: isti element, drukčija arhitektura
U grafitu je svaki atom ugljika povezan s tri susjedna atoma u pretežno ravnim šesterokutnim mrežama. Taj se oblik povezivanja opisuje kao sp² hibridizacija.
Veze unutar pojedinog sloja snažne su, ali su sile između slojeva znatno slabije. Slojevi zato mogu kliziti jedan preko drugoga. Zbog toga je grafit mekan, ostavlja trag i može djelovati kao mazivo.
Dijamant nema takvu slojevitu arhitekturu. Njegove snažne veze protežu se u tri dimenzije.
Kemijska oznaka C zato nije dovoljna da opiše materijal. Potrebno je znati:
- kako su atomi povezani;
- kakva je kristalna simetrija;
- postoje li primjese i defekti;
- kako su raspoređeni;
- u kakvim je uvjetima kristal rastao.
Stvarni dijamant nije savršena rešetka
Idealna kristalna rešetka koristan je model, ali stvarni dijamanti nisu savršene matematičke konstrukcije.
Mogu sadržavati:
- atome dušika;
- atome bora;
- vakancije, odnosno prazna mjesta u rešetci;
- kombinacije stranih atoma i vakancija;
- dislokacije;
- plastičnu deformaciju;
- granice i sektore rasta;
- mineralne, fluidne i druge inkluzije.
U fizici kristala riječ defekt zato ne znači nužno „mana” u trgovačkom smislu. Ona znači odstupanje od idealno periodične rešetke.
Defekt može biti razlog zbog kojeg je dijamant žut, plav, ružičast ili smeđ. Može proizvesti fluorescenciju, električnu vodljivost ili karakterističan spektroskopski signal. Može biti i iznimno vrijedan geološki zapis.
[VIZUAL 1.2: Idealna rešetka i stvarni kristal — supstitucijski atom, vakancija, dislokacija i inkluzija]
Prirodni i laboratorijski uzgojeni dijamant: isti materijal, različita povijest rasta
Prirodni i laboratorijski uzgojeni dijamant mogu imati istu osnovnu kristalnu strukturu i vrlo slična kemijska, fizikalna i optička svojstva. U oba slučaja riječ je o dijamantu kao materijalu.
Razlika je u podrijetlu i povijesti rasta.
Prirodni dijamant kristalizirao je u geološkim uvjetima duboke Zemlje i potom je prirodnim procesima dospio prema površini. Laboratorijski uzgojeni dijamant nastao je tehnološkim procesom, najčešće HPHT ili CVD metodom.
Zato laboratorijski uzgojeni dijamant nije simulant.
- Laboratorijski uzgojeni dijamant jest dijamant proizveden tehnološkim rastom.
- Simulant je drugi materijal, primjerice kubični cirkonij ili moissanite, koji može oponašati dio izgleda dijamanta.
- Tretirani dijamant jest dijamant kojem je nakon nastanka namjerno promijenjena određena karakteristika.
Ta se podjela tijekom knjige mora dosljedno čuvati.
Od rešetke prema gemologiji
Atomska struktura objašnjava što je dijamant kao materijal, ali ne daje automatski odgovor na sva pitanja koja se postavljaju o konkretnom kamenu.
Iz činjenice da je predmet dijamant još ne proizlazi:
- je li prirodan ili laboratorijski uzgojen;
- je li tretiran;
- kakve je kvalitete;
- odakle geografski potječe;
- komu je pripadao;
- koliko vrijedi.
To su različite razine zaključivanja i traže različite dokaze. Njihove granice detaljno ćemo postaviti u poglavlju 5.
Pogled kroz lupu
Lupa od 10× ne može prikazati pojedinačne atome ugljika ni izravno pokazati sp³ vezu. Može, međutim, otkriti makroskopske posljedice povijesti kristala:
- inkluzije;
- graining;
- zone rasta;
- površinske karakteristike;
- oštećenja;
- tragove obrade.
Instrumenti poput FTIR-a, Ramanove i fotoluminiscencijske spektroskopije pristupaju drugim razinama informacije. Zato se identifikacija dijamanta ne temelji na jednom opažanju, nego na povezivanju više vrsta dokaza.
Sažetak poglavlja
- Dijamant je mineral čiji je osnovni kemijski sastav ugljik.
- Gemološki opis od približno 99,95 % ugljika koristan je kao tipična vrijednost, ali nije apsolutna specifikacija svakoga kristala.
- Dijamant i grafit isti su element u različitim strukturnim oblicima.
- U dijamantu je ugljik povezan u trodimenzionalnu sp³ tetraedarsku mrežu.
- U grafitu prevladava slojevita sp² struktura, pa su njegova svojstva bitno drukčija.
- Stvarni dijamanti sadrže primjese, vakancije, dislokacije, deformacije i druge strukturne nepravilnosti.
- Kristalni defekt nije automatski trgovačka mana; može stvarati boju, luminescenciju ili dijagnostički signal.
- Prirodni i laboratorijski uzgojeni dijamant isti su osnovni materijal, ali imaju različito podrijetlo i povijest rasta.
- Identitet materijala nije isto što i podrijetlo, tretman, kvaliteta, provenijencija ili vrijednost.
[VIZUAL 1.3: Od atoma do gemološkog pitanja — struktura → svojstva → identitet materijala → podrijetlo i tretman]