Il ruolo dell'alta pressione e della temperatura nella formazione dei diamanti

I diamanti sono rinomati per la loro eccezionale durezza e bellezza, che li rendono molto apprezzati sia in gioielleria che in applicazioni industriali. La formazione dei diamanti naturali è un processo affascinante che avviene nelle profondità del mantello terrestre, coinvolgendo condizioni specifiche di alta pressione e temperatura. Comprendere queste condizioni aiuta a spiegare perché i diamanti sono relativamente rari e chiarisce i processi geologici coinvolti nella loro creazione.

Condizioni per la formazione del diamante

1. Alta pressione:
   • Requisiti di pressione: I diamanti si formano a pressioni comprese tra 4.5 e 6 gigapascal (GPa), ovvero circa da 45,000 a 60,000 volte la pressione atmosferica. Queste pressioni si trovano tipicamente a una profondità compresa tra 140 e 190 chilometri sotto la superficie terrestre.
   • Ruolo della pressione: L'alta pressione è fondamentale perché forza gli atomi di carbonio in una struttura cristallina compatta, tetraedrica, caratteristica dei diamanti. A pressioni più basse si formano atomi di carbonio grafite, un allotropo più stabile del carbonio in condizioni superficiali.
2. Alta temperatura:
   • Requisiti di temperatura: L'intervallo di temperatura per diamante la formazione è compresa tra 900°C e 1,300°C. Queste temperature sono necessarie per fornire l'energia necessaria per la riorganizzazione degli atomi di carbonio nel reticolo del diamante.
   • Ruolo della temperatura: Un calore adeguato consente agli atomi di carbonio di superare le barriere energetiche e di riorganizzarsi nella struttura del diamante strettamente legata. Senza una temperatura sufficiente, l’energia cinetica degli atomi sarebbe troppo bassa per consentire questa trasformazione.

Impostazioni geologiche per la formazione dei diamanti

1. Condizioni del mantello:
   • Profondità: Le condizioni necessarie per la formazione dei diamanti si trovano tipicamente a una profondità compresa tra 140 e 190 chilometri nel mantello terrestre. Queste profondità corrispondono al campo di stabilità dei diamanti, dove le condizioni di pressione e temperatura si intersecano opportunamente.
   • Fonti di carbonio: Il carbonio necessario per la formazione del diamante nel mantello può provenire da placche oceaniche subdotte, che introducono carbonati nel mantello, o da fonti di carbonio primordiali all'interno del mantello stesso.
2. Kimberlite e tubi in lamproite:
   • Trasporto in superficie: I diamanti vengono portati in superficie attraverso tubi vulcanici chiamati kimberliti e lamproiti. Questi tubi sono formati da eruzioni vulcaniche profonde che hanno origine nel mantello e trasportano rapidamente diamanti e altri materiali del mantello in superficie.
   • Caratteristiche dell'eruzione: La rapida ascesa di questi magmi è essenziale per preservare i diamanti. Il trasporto lento consentirebbe ai diamanti di trasformarsi nuovamente in grafite o di dissolversi a causa dei cambiamenti di pressione e temperatura.

Formazione di diamanti sintetici

1. Metodo ad alta pressione e alta temperatura (HPHT).:
   • Processo: Il metodo HPHT replica le condizioni naturali di formazione del diamante applicando alte pressioni (5-6 GPa) e alte temperature (1,300-1,600°C) a una fonte di carbonio, spesso utilizzando un catalizzatore metallico per facilitare il processo.
   • Applicazioni: I diamanti HPHT sono utilizzati in applicazioni industriali (taglio, molatura, perforazione) e sempre più in gioielleria poiché la qualità dei diamanti sintetici migliora.
2. Metodo di deposizione chimica in fase vapore (CVD).:
   • Processo: La CVD prevede la creazione di un plasma di gas contenenti carbonio, come il metano, che poi depositano atomi di carbonio su un substrato in modo controllato. Anche se questo metodo funziona a pressioni più basse, richiede comunque temperature elevate (700-1,200°C).
   • Applicazioni: CVD consente la produzione di diamanti di elevata purezza e la creazione di film e rivestimenti diamantati per varie applicazioni tecnologiche.

Conclusione

La formazione dei diamanti è una testimonianza dei processi dinamici e potenti che si verificano all'interno della Terra. Le condizioni specifiche di alta pressione e temperatura richieste per la creazione del diamante illustrano il delicato equilibrio delle forze geologiche in gioco. I progressi nella produzione di diamanti sintetici continuano a fornire informazioni su questi processi naturali, ampliando al contempo la disponibilità e l’applicazione dei diamanti sia nei settori industriale che commerciale.