Geología

Taller I

Heyber Albeiro Bolaños Arciniegas, Julián Andres Burbano Burbano, Franco Alexander Jojoa Botina, Doney Andres Erazo Rojas

Universidad de Nariño Febrero 25 de 2018

Nota Curso de Geología, Profesor: Luis Alejandro Erazo, Programa de Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería, Universidad de Nariño Correspondencia relacionada con este documento debe ser enviada a: [email protected]

I

Mineralogía “El Diamante” Contenido Introducción .................................................................................................................................................. 1 Mineralogía “El Diamante” ........................................................................................................................... 2 Principales Características del Mineral ..................................................................................................... 2 Composición química. ........................................................................................................................... 2 Sistema cristalino. ................................................................................................................................. 2 Dureza. .................................................................................................................................................. 2 Punto de fusión. .................................................................................................................................... 2 Densidad. .............................................................................................................................................. 2 Color. ..................................................................................................................................................... 2 Brillo. ..................................................................................................................................................... 3 Fuego o dispersión. ............................................................................................................................... 3 Centelleo. .............................................................................................................................................. 3 Índice de refracción. ............................................................................................................................. 3 Exfoliación. ............................................................................................................................................ 3 Origen del Mineral y su Composición Química ......................................................................................... 4 ¿Como se Originan los Diamantes? ...................................................................................................... 4 Composición química ............................................................................................................................ 5 Usos del Mineral ....................................................................................................................................... 6 Industria. ............................................................................................................................................... 6 Herramientas. ....................................................................................................................................... 7 Joyería. .................................................................................................................................................. 8 Investigaciones y Resultados Realizados al Mineral ................................................................................. 8 ❖ Evaluación de la resistencia a la corrosión erosión de recubrimientos de níquel modificados con nanopartículas de diamante. (Medina & Calderón, 2013)............................................................. 8 ❖ Estudio de láminas delgadas de diamantes policristalinos: estructura cristalina, enlaces químicos de átomos de carbono y efectos en la concentración de portadores de cargas eléctricas. (Obaldia, Alcantar, Gans, & Auciello, 2017) .......................................................................................... 9 Referencias.................................................................................................................................................. 11

1

Mineralogía “El Diamante” Introducción La corteza terrestre y los océanos son la fuente de una amplia variedad de minerales útiles y esenciales. De hecho, prácticamente todos los productos fabricados contienen materiales obtenidos de los minerales. La mayoría de la gente está familiarizada con los usos comunes de muchos metales básicos, entre ellos el aluminio de las latas de bebida, el cobre de los cables eléctricos y el oro y la plata en joyería. Pero algunos no saben que las brocas utilizadas por los dentistas para taladrar el esmalte de los dientes están impregnadas de diamante, o que el mineral común cuarzo es la fuente de silicio para los chips de computador. Conforme crecen las necesidades de minerales de la sociedad moderna, lo hace también la necesidad para localizar más zonas de abastecimiento de minerales útiles y esenciales para el desarrollo de las actividades del ser humano en el planeta (Tarbuck & Lutgens, 2005). En el presente documento se describen las principales características del diamante, su origen en la naturaleza y su composición química, además se muestran los diferentes usos que el hombre le ha venido dado a este mineral a través de los tiempos, al final se mencionan algunas investigaciones en las que se busca ampliar los usos del mineral en el sector de la industria de recubrimientos de metales, y la utilización de láminas delgadas de diamantes policristalinos en el desarrollo de dispositivos electrónicos.

2

Mineralogía “El Diamante” Mineralogía “El Diamante”

Principales Características del Mineral Composición química. Cristales de carbón C. Sistema cristalino. Cristaliza en el sistema cúbico, en forma de octaedros y dodecaedros; aunque puede adoptar otras como, por ejemplo: cubos. No es raro encontrar cristales redondeados, torcidos o enroscados (Plaor, 2015). Dureza. Es la sustancia más dura que existe con un valor 10 en la escala de Mohs, no es atacado por ningún acido y es insoluble en ellos. Posee el menor valor del coeficiente de compresibilidad (8.3 x10−13 m2/N) y una dureza mecánica extrema de (∼ 90 GPa). Punto de fusión. Su punto de fusión es dos veces y media más alto que el acero; hacen falta 3.816 ⁰C para fundir un diamante (Plaor, 2015). Densidad. 3,15 y 3,53 g/cm3. Color. Es variable, dependiendo de que en su composición participen otros elementos, tales como el nitrógeno, que proporciona colores amarillos y pardos, el boro que produce color azul y radiaciones naturales que proporcionan colores verdes, rojizos o rosas. Estos colores llamados de fantasía, cuando son homogéneos intensos y en gemas limpias, alcanzan cotizaciones altísimas debido sobre todo a sus escases (Plaor, 2015). Una variedad muy particular es el llamado diamante camaleón, el cual cambia de color verde a amarillo en función de su entorno. (Plaor, 2015).

3

Mineralogía “El Diamante” Lo más tradicional y demandado, son las gemas incoloras llamadas blancas, y en estos casos la presencia de tonos o tonalidades suaves y apreciables en mayor o menor grado restan valor a las gemas, que han de ser blancas (Plaor, 2015).

Brillo. Los diamantes sin tallar tienen un lustre graso y no son brillantes, por el contrario, cuando se cortan, muestran un fuerte brillo, llamado técnicamente “adamantino”. La característica que hace que el diamante sea tan especial es su propiedad de modificar la luz. Por eso el diamante brilla con destello, fuego y centelleo. El brillo del diamante se debe a su capacidad de captar la luz blanca y reflejarla en el ojo (Plaor, 2015). Fuego o dispersión. El fuego en un diamante es su cualidad de convertir un rayo de luz blanca en todos los colores del espectro. Esta cualidad también es conocida como dispersión y el diamante tiene más alta dispersión que cualquier otra gema natural, con un índice de 0,044. (Plaor, 2015). Centelleo. Centelleo es el relámpago de luz que aparece cuando se mueve un diamante. Un diamante bien tallado y facetado tomara la luz de la débil llama de una vela. (Plaor, 2015). Índice de refracción. Su índice de refracción es de 2,45; siendo una gema monorrefringente por cristalizar en el sistema regular (Plaor, 2015). Exfoliación. Su única debilidad es la fragilidad, que contrariamente a lo que se piensa si se puede romper, presentando una fractura irregular. Puede ser exfoliado en cuatro direcciones según la cara del octaedro (Plaor, 2015).

4

Mineralogía “El Diamante” Origen del Mineral y su Composición Química ¿Como se Originan los Diamantes? Los diamantes se originan a profundidades de casi 200 kilómetros, donde la presión confinante es lo bastante grande como para generar esta forma de alta presión del carbono. Una vez cristalizados, son transportados hacia arriba a través de conductos denominados pipas cuyo diámetro aumenta hacia la superficie. En las pipas diamantíferas, casi todas ellas contienen cristales de diamante que están diseminados en una roca ultramáfica denominada kimberlita. Las pipas de kimberlita más productivas se encuentran en Sudáfrica (Tarbuck & Lutgens, 2005).

Figura 1. Diamante en su roca matriz de kimberlita. Tomado de: (Foro de Minerales, 2012) Condiciones para que suceda la formación del diamante La formación del diamante ocurre en el manto de la litosfera a profundidad considerable, correspondiendo a los requerimientos de temperatura y presión. Estas profundidades están estimadas entre 140 y 190 km (Alarte, 2011).

5

Mineralogía “El Diamante” La tasa a la que la cambia la temperatura con el incremento de profundidad en la Tierra varía grandemente en diferentes partes de la Tierra. En particular, bajo las placas oceánicas, la temperatura sube más rápidamente con la profundidad, más allá del rango requerido para la formación del diamante a la profundidad requerida. La combinación correcta de temperatura y presión sólo se encuentra en las partes gruesas, viejas y estables de las placas continentales, donde existen regiones de litosfera conocidas como cratones. Una larga estancia en la litosfera cratónica permite a los cristales de diamante crecer más grandes aún. (Alarte, 2011) Los diamantes también pueden formarse en otros eventos naturales de alta presión. Se han encontrado diamantes muy pequeños, conocidos como microdiamantes o nanodiamantes, en los cráteres de impacto de meteorito. Aunque en el Cráter Popigai en Siberia los diamantes alcanzan un tamaño de entre 0,5 a 2 mm con algunos ejemplares de 10mm. Se considera que es el mayor yacimiento del mundo de diamantes de impacto.35 Tales eventos de impacto crean zonas de choque de alta presión y temperatura, idóneas para la formación de diamantes (Erlich & Dan Hausel, 2002).

Composición química El carbono es un elemento del grupo IV, con configuración electrónica 1s 22s 22p 2, siendo el diamante y el grafito sus formas alotrópicas, la diferencia entre los orbítales atómicos s y p se hibridan formando enlaces sp3 tetraédricos, por tanto, cada átomo de C está unido a cuatro átomos de C vecinos mediante un enlace covalente para formar la estructura cristalina del diamante (Figura 2). Esta configuración adopta la forma cubica simple centrada en las caras (fcc), con dos átomos por celda unidad [7,8]. Además, en el grafito los átomos de C presentan la

6

Mineralogía “El Diamante” hibridación sp2, en la que cada átomo de C está unido con tres átomos de C por un enlace covalente, formando estructuras laminares (Lancheros Olmos, 2014).

Figura 2. Disposicion de los atomos de carbono en la estructura del diamante. Tomado de: (http://www.quimitube.com, 2015)

Usos del Mineral Industria. El campo actual de investigación de utilidad industrial del diamante es el de los semiconductores de alto rendimiento, debido a que tienen características de conductividad tanto de calor como de electrones muy superiores a la del silicio (elemento más común actualmente para estas aplicaciones) (Davila, 2013). En la industria del mármol, se utilizan cables de acero con incrustaciones de diamante, rajando lajas de unos 2,5 metros de espesor y, posteriormente estas lajas se llevan a las fábricas donde se vuelven a cortar en las típicas baldosas que conocemos (Davila, 2013). En la línea de altavoces, ¿sabías que los diamantes proporcionan una mejor calidad de sonido y por lo tanto pueden mejorar el rendimiento de los altavoces? Simplemente usando una cúpula con una película de diamante fina que puede vibrar rápidamente sin ser deformada (Howard, BAUNAT, 2016).

7

Mineralogía “El Diamante” Herramientas. Hay dos tipos de diamantes comúnmente usados: el carbonado y el ballas. Con estos diamantes se fabrican troqueles y muelas para pulir herramientas. También se emplean para perforar pozos petroleros y para cortar todo tipo de piedras. A demás dado que los diamantes son tan duros, forman la sustancia perfecta para ser utilizados en herramientas para moler, taladrar, cortar y pulir cualquier otro material (Davila, 2013). En el campo de la pantografía el cual es un sistema de grabación que utiliza un instrumento que permite copiar a igual o distinta escala un dibujo o plano. Está compuesto por un troquel con una punta cortante, que suele ser de diamante, guiada por un pantógrafo, proceso que se va efectuando letra a letra o motivo a motivo. En el sector publicitario se utiliza para marcar artículos resistentes que puedan soportar la acción cortante de este sistema, como son los metales. El resultado de la pantografía es una impresión que no tiene color definido, sino que depende de la segunda capa del material grabado. Actualmente la pantografía es un sistema de grabación de alta precisión y que está computarizada. Se realiza mediante plotters controlados por ordenador. El cabezal móvil utiliza una punta de diamante o una fresa para trazar las líneas del dibujo erosionando la superficie del metal. La pantografía es una forma de impresión costosa muy adecuada para series pequeñas tales como bandejas para celebraciones, trofeos, medallas. Sin embargo, ofrece grabaciones elegantes, imborrables y brillantes (Davila, 2013). Otro de los usos en herramientas son las ventanas de diamante o membranas finas de diamante que forman ventanas que se utilizan en láseres, máquinas de rayos X o cámaras de vacío. Estos son muy importantes en el mundo médico y tecnológico, ya que proporcionan transparencia, son duraderas y resistentes al calor o a otras sustancias, en comparación al vidrio que no tiene todos estos atributos cruciales (Howard, BAUNAT, 2016).

8

Mineralogía “El Diamante” Joyería. Se utiliza para tallar todo tipo de gemas incluidos los diamantes...lo que más llama la atención es que el diamante no corta una superficie blanda, es decir...los diamantes (normalmente sintéticos) se incrustan dentro de un disco (llamada disco de diamante) que al pasar corta tanto gemas, piedras (por ejemplo, para hacer una lámina delgada utilizable en microscopio) pero, sin embargo, si pasas un dedo por el disco de diamante, ¡no te corta...pero cuidado! como le pases la uña, te rajará (Davila, 2013).

Investigaciones y Resultados Realizados al Mineral

❖ Evaluación de la resistencia a la corrosión erosión de recubrimientos de níquel

modificados con nanopartículas de diamante. (Medina & Calderón, 2013)

Una investigación hecha por el grupo de corrosión y protección de la Universidad de Antioquia en Medellín Colombia, en el año 2013, reveló que la incorporación de nanopartículas de carburos, nitruros, óxidos o diamante en una matriz metálica, generalmente muestran mejoras en la dureza, en la resistencia al desgaste y a la corrosión, comparado con un recubrimiento del metal puro. Según los investigadores estos recubrimientos compuestos se pueden obtener mediante la técnica de electrodeposición, logrando economía y calidad en los depósitos. Para la investigación, los recubrimientos de níquel modificados con nanopartículas de diamante (Ni-D), fueron aplicados sobre un acero AISI SAE 1016 mediante la técnica de electrodeposición desde una solución típica Watts sin aditivos, que contenía nanopartículas de diamante. La resistencia a la corrosión-erosión se evaluó mediante el monitoreo del potencial de corrosión de las probetas con recubrimiento sometidas a un fluido corrosivo y abrasivo en movimiento.

9

Mineralogía “El Diamante” Los recubrimientos compuestos de Ni-D obtenidos presentaron mejor resistencia a la corrosiónerosión que los recubrimientos de níquel puro. De las pruebas hechas se concluyó que las nanopartículas de diamante cambian la morfología de los recubrimientos de níquel, haciéndolos más compactos; además se demostró que los recubrimientos compuestos de Ni-D presentan mejor resistencia a la corrosión-erosión que los recubrimientos de níquel puro. Los recubrimientos más resistentes a la corrosión-erosión fueron los obtenidos a 5 A/dm2, 900 rpm y 10 g/L de diamante.

❖ Estudio de láminas delgadas de diamantes policristalinos: estructura cristalina, enlaces químicos de átomos de carbono y efectos en la concentración de portadores de cargas eléctricas. (Obaldia, Alcantar, Gans, & Auciello, 2017) Un estudio realizado por estudiantes de la Universidad Tecnológica de Panamá, en el cual se comparan tres diferentes estructuras cristalinas de láminas delgadas de diamantes que fueron producidas utilizando métodos de deposición con vapor químico con plasma producido por microondas o con filamentos calientes y la concentración de cargadores eléctricos. Para analizar la estructura de los enlaces químicos de los átomos el grupo de investigación utilizo el método de espectroscopia de Raman y para la concentración de los portadores de cargas eléctricas se apoyaron utilizando un sistema del efecto de Hall. En la investigación encontraron una relación entre la estructura cristalina y los enlaces químicos de los átomos de carbono en las láminas con la concentración de portadores de cargas eléctricas. Observaron que las láminas que presentaban una estructura de diamante nanocristalino muestran alta concentración de portadores de cargas eléctricas y en el otro extremo las láminas que presentaban una estructura microcristalina tenían la menor concentración de portadores de carga eléctrica. Posteriormente observaron que las láminas llamadas ultra-nanocristalinas estaban

10

Mineralogía “El Diamante” compuestas de granos de diamantes cristalinos y contenían una amplia red de bordes de grano con átomos de carbono unidos en la configuración de sp2, estas presentaban la mayor concentración de portadores eléctricos del orden de 10 la cuales podían desarrollarlas con dispositivos electrónicos alternos de alta potencia eléctrica y alta temperatura.

11

Mineralogía “El Diamante” Referencias Plaor, J. (17 de Diciembre de 2015). Blog Joyeria Plaor. Recuperado el 20 de Febrero de 2018, de https://www.joyeriaplaor.com/blog/diamantes-historia-origen-y-yacimientos/

Tarbuck, E. J., & Lutgens, F. K. (2005). Ciencias de la Tierra. En F. K. Edward J. Tarbuck, Ciencias de la Tierra, Una Introducción a la Geología Física (pág. 612). Madrid: Pearson Educación S.A. Alarte, J. M. (2011). El Mundo de los Diamantes. En J. M. Alarte, El Mundo de los Diamantes. España: Bubok Publishing S.I. Davila, K. (14 de Diciembre de 2013). PDFCOKE. Recuperado el 20 de Febrero de 2018, de Usos y Aplicaciones del Diamante y Grafito: https://es.pdfcoke.com/doc/191484969/Usos-yAplicaciones-Del-Diamante-y-Grafito Erlich, E., & Dan Hausel, W. (2002). Diamond Deposits. Carlsbad, California, Estados Unidos: Society for Mining, Metallurgy, and Exploration. Recuperado el 20 de Febrero de 2018, de https://es.wikipedia.org/wiki/Diamante Foro de Minerales. (01 de 02 de 2012). Foro de Minerales. Recuperado el 02 de 20 de 2018, de https://www.forodeminerales.com/2017/05/diamante-minerales-y-gemas.html Howard, N. (11 de Noviembre de 2016). BAUNAT. Recuperado el 20 de Febrero de 2018, de Usos Sorprendentes de los Diamantes: https://www.baunat.com/es/usos-sorprendentes-de-losdiamantes http://www.quimitube.com. (19 de Enero de 2015). quimitube.com. Recuperado el 02 de 20 de 2018, de ¿Se puede convertir el grafito en diamante?: http://www.quimitube.com/wpcontent/uploads/2013/10/celda-cubica-isometrica-diamante.png Lancheros Olmos, J. C. (2014). Repositorio Uptc. Recuperado el 20 de Febrero de 2018, de Propiedades dosimétricas del detector de diamante HPHT sometido a rayos X: http://repositorio.uptc.edu.co/jspui/handle/001/1409 Medina, L. A., & Calderón, J. A. (2013). Evaluación de la resistencia a la corrosión erosión de recubrimientos de níquel modificados con nanopartículas de diamante. Obtenido de Revista Facultad de Ingenieria, Universidad de Antioquia: http://aprendeenlinea.udea.edu.co/revistas/index.php/ingenieria/article/viewFile/14163/12519 Obaldia, E. d., Alcantar, J., Gans, M., & Auciello, O. (2017). Estudio de láminas delgadas de diamantes policristalinos: estructura cristalina, enlaces quimicos de átomos de carbono, y efectos en la concentración de portadores de cargas eléctricas. PRISMA Tecnologico, 29-33. Obtenido de https://www.researchgate.net/profile/Jesus_AlcantarPena/publication/321182111_Estudio_de_laminas_delgadas_de_diamantes_policristalinos_estr uctura_cristalina_enlace_quimicos_de_atomos_de_carbono_y_efectos_en_la_concentracion_d e_portadores_de_cargas_electr