La era de los diamantes: la reina de las piedras preciosas encuentra nuevas aplicaciones.
Los diamantes ya no son solo joyas: se utilizan en campos tan diversos como la medicina, las comunicaciones, la informática y la exploración petrolera. Los científicos creen que este mineral, ya sea natural o sintético, será fundamental en las próximas décadas.
Por Eduardo Araia
Bellísimos, brillantes e indestructibles, los diamantes han forjado un aura de piedras preciosas a lo largo de los milenios. Este raro mineral se utilizaba casi exclusivamente en la joyería, pero los recientes avances en física y nanotecnología prometen que estará cada vez más presente en nuestra vida cotidiana.
En los últimos años, esta piedra ya ha tenido un papel destacado en sectores tan diversos como los instrumentos dentales y la exploración petrolera. Ahora, ha surgido en la investigación sobre ojos biónicos, prótesis, tipos innovadores de láseres, comunicaciones a prueba de hackers y terapias contra el cáncer.
El diamante es la sustancia natural más dura conocida. Los griegos lo llamaban... adamas (Invencible, indestructible). Recientemente se descubrió que este mineral conduce el calor más rápido que cualquier otro material, lo que lo hace ideal para reducir el desperdicio de calor en dispositivos electrónicos de alto consumo energético. El diamante también es prácticamente transparente en un amplio espectro de longitudes de onda, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. La luz tiende a ser absorbida únicamente por impurezas de boro o nitrógeno que puedan estar presentes en la precisa estructura cristalina de los átomos de carbono que componen la piedra.
Los diamantes naturales se formaron hace millones de años en entornos calientes y de alta presión, a más de 100 kilómetros bajo la superficie terrestre. Hoy en día, sin embargo, también se pueden producir artificialmente mediante un proceso de laboratorio llamado deposición química de vapor (CVD), que consiste en la ionización de una mezcla de gases, entre ellos el metano. El carbono liberado del metano forma el diamante en un material base especialmente preparado y calentado a 800 °C.
También es posible dopar el diamante añadiendo elementos como boro o nitrógeno a su composición. De hecho, algunas de las oportunidades más interesantes en tecnología cuántica se basan en la presencia de estos elementos en el diamante. Cuando un átomo de nitrógeno queda atrapado en la red de átomos de carbono, se une al diamante de tal manera que un electrón queda libre.
Éxito contra el cáncer
Un frente nuevo y muy importante que se ha abierto recientemente para los diamantes (en realidad, para los nanodiamantes con diámetros entre dos y ocho nanómetros) se encuentra en el ámbito de la salud. Investigadores estadounidenses han logrado atacar tumores de mama e hígado en estadio avanzado mediante la unión del fármaco quimioterapéutico doxorrubicina a nanodiamantes.
Según un estudio publicado en la revista Documento de Science Translational MedicineLa técnica, probada en ratas, permite que el fármaco penetre en el tumor (algo que no ocurre con la quimioterapia tradicional) y lo reduzca. «Lo más interesante es que, al administrar una dosis mayor del fármaco, resultó tan tóxico que todos los animales murieron; ni siquiera sobrevivieron lo suficiente para completar el estudio», declaró a la Agencia France-Presse el investigador principal, Dean Ho, de la Universidad Northwestern (EE. UU.). «Sin embargo, al administrar la misma dosis alta y unirla al nanodiamante, no solo sobrevivieron todos los animales, sino que los tumores alcanzaron el tamaño más pequeño que habíamos observado hasta entonces».
Otra innovación en el campo de la medicina es la posibilidad de crear un ojo biónico con una matriz de diamante, basada en estudios del australiano Steven Prawer, físico del Instituto de Materiales de la Universidad de Melbourne. Ciertas características del mineral lo hacen ideal para este invento. Además de ser fuerte y resistente, los electrones libres ligados a sus impurezas le permiten actuar como semiconductor; y dado que el carbono, presente en el diamante, constituye el 20 % del cuerpo humano, no existe riesgo de rechazo si se implanta en el organismo.
Según Prawer, se implantaría una matriz de diamantes detrás de la retina de las personas que han quedado ciegas debido a enfermedades oculares degenerativas, como la retinosis pigmentaria o la degeneración macular asociada a la edad. Una señal electrónica emitida por una cámara atravesaría el diamante para estimular las células ganglionares (las células de salida de información visual de la retina), devolviéndoles la vista a las personas ciegas. "Nuestro objetivo es crear una matriz de electrodos con aproximadamente mil píxeles (Un píxel es el punto más pequeño que forma una imagen digital."Porque con esto ya se pueden reconocer rostros y letras grandes", afirma el físico.
El sector de las prótesis también podría beneficiarse de los diamantes. El desgaste que sufren estas prótesis se reduciría si se recubrieran con una fina capa de este mineral, pero esta solución plantearía otro problema: durante el movimiento, el diamante podría resultar abrasivo para la piel. Una solución teórica inesperada surgió del físico estadounidense Alexander Wissner-Gross, de la Universidad de Harvard. Realizó simulaciones por ordenador que demostraron que añadir una sola capa de átomos de sodio al diamante podría crear una superficie sobre la cual una capa de hielo de apenas unas pocas moléculas de espesor resistiría la temperatura ambiente, funcionando así como un lubricante.
La idea de un hielo que no se derrite ni siquiera a la temperatura corporal parece extraña al principio. Sin embargo, Wissner-Gross explica que varios estudios teóricos ya confirman esta posibilidad en superficies muy similares a las que él y su equipo estudiaron.
Computadoras cuánticas
El físico cuántico estadounidense David Awschalom, de la Universidad de California en Santa Bárbara, centra su investigación en un nuevo campo, la espintrónica: la manipulación del espín de electrones libres de impurezas de diamante mediante microondas. En términos sencillos, el espín es una propiedad magnética de las partículas elementales, generalmente considerada como una orientación o dirección de rotación. En el caso del electrón, se suelen considerar dos orientaciones: la girar y el giro hacia abajo, compatible con el código binario (0 o 1) utilizado en la informática convencional. Pero la mecánica cuántica añade un grado de incertidumbre a este estado mediante microondas, multiplicando las alternativas disponibles entre 0 y 1. Con esto, la capacidad de almacenar datos y la velocidad para trabajar con ellos aumentan enormemente; precisamente la idea detrás de las computadoras cuánticas soñadas, que procesarán información a velocidades supersónicas utilizando efectos cuánticos.
Los diamantes ofrecen una ventaja en estas circunstancias porque el cristal conserva sus electrones en un estado estable y es menos susceptible a las influencias ambientales durante mucho más tiempo que otros materiales. Otro detalle importante: todo esto ocurre a temperatura ambiente, sin necesidad de controles adicionales.
En la primera mitad de 2010, Awschalom ya había logrado alterar el estado cuántico del electrón en el intervalo infinitesimal de una milmillonésima de segundo. En noviembre del mismo año se anunció un avance aún mayor: investigadores de la Universidad Humboldt de Berlín habían construido un sistema híbrido primitivo de computación cuántica que utilizaba estímulos electrónicos en nanodiamantes y nanoestructuras ópticas, denominadas cristales fotónicos. Para los científicos alemanes, este invento ya representaba el embrión de una computadora cuántica.
Láser superpotente
Si bien un buen número de investigadores trabajan en explorar el potencial de las impurezas del diamante, otros prefieren que la piedra sea lo más perfecta posible. Este es el caso del físico óptico australiano Rich Mildren, de la Universidad Macquarie en Sídney: utilizando diamantes artificiales de unos ocho milímetros de longitud, creó un láser innovador.
En un diamante perfecto o casi perfecto, el paso de la luz a través del material se facilita debido a la escasa o nula presencia de impurezas que la obstruyan, lo que se traduce en una mayor potencia. Otra característica favorable es la rápida conductividad térmica de este mineral (la disipación de calor es un problema importante para los dispositivos láser convencionales). La combinación de estos dos factores abre la puerta a la creación de láseres más pequeños y mucho más potentes.
La investigación de Mildren reveló que el láser de diamante puede trabajar con longitudes de onda infrarrojas, inaccesibles para los dispositivos convencionales. Esta característica favorece, por ejemplo, su uso en neurocirugías, donde se requieren cortes láser de tamaño mínimo (entre seis y siete millonésimas de metro). La precisión en la longitud de onda también facilitaría la detección, desde una distancia segura, de los vapores que emanan de explosivos en aeropuertos y zonas de guerra: «La señal de retorno del haz láser se ve afectada por la absorción del vapor, lo que permite visualizar instantáneamente cualquier amenaza potencial», explica la física.
Con una gama de aplicaciones en constante crecimiento, las perspectivas de futuro para los diamantes son extremadamente prometedoras. Ante las enormes sumas que esto representa, Bryant Linares, director ejecutivo de Apollo Diamond, uno de los mayores fabricantes de diamantes artificiales del mundo, afirma: «Hubo una era del cobre y una era del acero. La próxima será la era del diamante».
Los precios son cada vez más elevados.
El creciente interés de la ciencia y la industria por los diamantes se ve obstaculizado por una barrera natural: la escasez de estas piedras, responsable de sus elevados precios. En 2010, el director ejecutivo de De Beers (el mayor productor de diamantes del mundo), Gareth Penny, anunció que la producción mundial de diamantes caería de 48 millones de quilates en 2008 a unos 40 millones de quilates ese mismo año, debido a la falta de nuevos yacimientos y a la creciente demanda provocada por el auge del mercado chino. «Si continuamos produciendo la misma cantidad de diamantes que hoy, en 15 años ya no será posible extraerlos a escala comercial», declaró Penny al periódico italiano. La RepubblicaCon esto, el director estimó que los precios subirán alrededor de un 5% para los compradores.
¿Y qué ocurre con los diamantes sintéticos? Por ahora, sus precios son muy similares a los de las gemas naturales. Pero se cree que si la demanda aumenta significativamente, la producción crecerá y, en cierto punto, los precios bajarán.
Los nanodiamantes, sin embargo, constituyen un caso especial. Los utilizados en la investigación del equipo de Dean Ho sobre el tratamiento del cáncer eran residuos de explosiones, como las que se producen en la minería del carbón o en las refinerías de petróleo, lo que reduce su coste.
Comunicación a prueba de escuchas
Las impurezas del diamante son la base de una forma revolucionaria de comunicación desarrollada por el físico australiano Steven Prawer. La comunicación convencional utiliza pulsos transmitidos a través de una fibra óptica, cada uno compuesto por un gran número de fotones. (partículas elementales de energía radiante)El proceso de interceptar una llamada consiste básicamente en «capturar» algunos de estos fotones, lo cual puede pasar desapercibido tanto para quien llama como para quien recibe la llamada. La innovación del sistema de Prawer (que también funciona con llamadas de telefonía móvil) radica en que, al utilizar únicamente el electrón asociado a una impureza en el diamante, opera con un solo fotón por pulso; la información se transmite en la polarización (propiedad electromagnética que limita las posibilidades de espín a una) de dicho fotón. Según la mecánica cuántica, cualquiera que intente alterar esto cambiará la polaridad de los fotones, lo que destruirá la información transmitida e informará a los interlocutores de la presencia de un intruso en su conversación. Esta técnica ya se utiliza en las comunicaciones entre comisarías de policía del estado de Victoria, Australia.