El origen redox de los diamantes

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Las placas tectónicas que componen la litosfera, la capa más externa de la Tierra, se desplazan sobre el manto, la capa fluida que hay debajo, a una velocidad del orden de entre 2 y 8 cm por año. Las zonas donde una placa tectónica se mueve debajo de otra hundiéndose en el manto se llaman zonas de subducción. Estas zonas de subducción son ricas en terremotos, volcanes y formación de montañas. Y según un estudio recién publicado en PNAS por un equipo encabezado por Yuri Palyanov, del Instituto de Geología V.S. Sobolev (Rusia), también en formación de diamantes, por reacciones de oxidación-reducción.

Cuando hablamos del diamante lo primero que pensamos desde el punto de vista químico tradicional es que es carbono puro. Pero, en la realidad, los diamantes nunca son carbono puro: existen inclusiones de distintos elementos, que le pueden dar color. El nitrógeno, por ejemplo, le da un tono marrón-amarillento o el boro le da las tonalidades azules (otra fuente de color son los defectos reticulares). Incluso si nos centramos sólo en el carbono, la composición isotópica hace que explicar el origen de los diamantes sea algo no precisamente trivial.

Diamante (izqda.) y grafito (dcha.)
Diamante (izqda.) y grafito (dcha.)

Si pensamos en la estructura del diamante como formada por carbonos unidos por enlaces covalentes todos iguales quzás nos resulte difícil imaginar que en el origen de este alótropo del carbono intervenga toda una serie de reacciones de oxidación-reducción (redox). Sin embargo, esto es algo que la geoquímica tenía asumido desde hace mucho, si bien los mecanismos detallados no se tenían del todo claros. Por otra parte, la heterogeneidad de los diamantes se pensaba que era consecuencia de las diferentes características isotópicas de los materiales de carbono disponibles en las diferentes fases de la cristalización del diamante o bien de los diferentes materiales presentes en el medio de cristalización.

La cuestión es que no se habían realizado experimentos en las condiciones que se cree existen en las zonas de subducción de alta presión y temperatura para estudiar en detalle los procesos que tienen lugar entre una placa rica en carbonatos que se hunde en un manto rico en metales (hierro especialmente). Y esto es lo que han hecho Palyanov y colaboradores, encontrando que una sola fuente de carbono y un solo proceso pueden dar lugar a buena parte de la heterogeneidad observada.

Los investigadores encontraron que los minerales de la corteza oxidados interactúan con las rocas saturadas en metales reducidos del manto. A temperaturas supreriores a 1000ºC los carbonatos de calcio y magnesio reaccionaban con el hierro para formar nuevos minerales, incluyendo carburo de hierro y grafito.

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Si seguían aumentando la temperatura por encima de 1200ºC y a presiones del orden de 7,5 GPa (gigapascales) empezaba a observarse un gradiente de estados de oxidación. En la zona entre los carbonatos y el hierro comienzan a aparecer diamantes minúsculos (en gris oscuro en la foto; blanco mineral de hierro y los carbonatos gris claro). Los análisis pusieron de manifiesto que los diamantes formados en condiciones oxidadas contenían más impurezas de nitrógeno que los que se formaban en condiciones reducidas.

Otra conclusión del estudio es que los diamantes pueden formarse en un amplio rango de presiones / temperaturas /concentraciones de oxígeno y que este experimento tan sólo reproduce uno de los casos posibles.

Referencia:

Palyanov Y.N., Bataleva Y.V., Sokol A.G., Borzdov Y.M., Kupriyanov I.N., Reutsky V.N. & Sobolev N.V. Mantle-slab interaction and redox mechanism of diamond formation, Proceedings of the National Academy of Sciences, DOI:

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la Edición Inaugural del Festival de la Cristalografía que organiza Educación química y en la XXX Edición del Carnaval de Química que acoge Activa tu neurona.


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