Кольцо с бриллиантом и карандаш кажутся полными противоположностями — пока не отбросить романтику и жёлтую краску. Камень в кольце и тёмная линия от карандаша состоят из одного и того же элемента: углерода. Разница в «архитектуре»: те же атомы, но запертые в разных структурах.
Алмазы медленно стремятся перейти в графит, потому что при обычной температуре и давлении графит является более низкоэнергетической формой углерода. Это превращение реально, но в повседневных условиях оно идёт настолько медленно, что алмаз может сохраняться миллионы и даже миллиарды лет.
В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя соседними атомами углерода в плотной трёхмерной решётке. В графите каждый атом углерода прочно связан с тремя соседями в плоских слоях, а сами эти слои держатся друг за друга лишь слабо.[1] Именно из-за такой слоистой структуры графит легко оставляет след на бумаге. Карандашная линия — это углерод, который отходит крошечными пластинками.
При обычных условиях графит — более стабильная структура. Доктор Кристофер С. Бэрд, физик из West Texas A&M University, объясняет, что алмазы превращаются в графит потому, что при типичных условиях графит имеет более низкоэнергетическую конфигурацию.[1] Никакому внешнему химическому веществу не нужно «атаковать» камень. Атомам углерода достаточно было бы перестроиться внутри: разорвать одни связи и образовать другие.
Стена между блеском и графитом
Алмаз не превращается в графит сам собой и быстро, потому что его атомы удерживает большой энергетический барьер. Бэрд сравнивает это с человеком, который стоит в неглубокой яме рядом с более глубокой, но между ними находится стена. Более глубокая яма — более стабильное место, но попасть туда нельзя, пока не получишь достаточно энергии, чтобы перелезть через стену.[1]
Химики называют алмаз метастабильным. При нормальной температуре и давлении это не самая низкоэнергетическая форма углерода, но он может оставаться «застрявшим» в своей нынешней структуре невероятно долго.[1] Термодинамика благоволит графиту. Кинетика — раздел химии, изучающий скорость превращений, — не даёт алмазу заметно измениться в человеческие сроки.
При комфортной комнатной температуре, без мощной ионной бомбардировки и экстремального нагрева, превращение алмаза в графит настолько медленно, что практически не происходит.[1] Бэрд пишет, что алмаз, который носят на пальце в обычных человеческих условиях, может просуществовать от миллионов до миллиардов лет, так что фраза «бриллианты вечны» — очень хорошее приближение для повседневной жизни.[1]
Некоторые оценки растягивают этот срок ещё сильнее. Говорят, что при комнатной температуре кубический сантиметр алмаза полностью превратился бы в графит за время, намного превышающее возраст Вселенной; зато при очень высоких температурах процесс может стать куда более заметным.[3] Человек, который ждёт, пока обручальное кольцо превратится в карандашный графит, делает ставку, которую ни одна человеческая жизнь не сможет выиграть.
Как поторопить алмаз
Нагрев даёт атомам углерода энергию. Бэрд отмечает, что нагрев алмаза или бомбардировка его ионами могут дать атомам достаточно энергии, чтобы преодолеть барьер и перестроиться в сторону графита.[1] Возможен и другой вид разрушения. В кислороде при высоких температурах алмазы могут сгореть с образованием углекислого газа, а не превратиться в графит.[2]
Давление толкает углерод в противоположном направлении. При высоком давлении алмазы становятся предпочтительной формой, и именно поэтому они образуются глубоко в недрах Земли, а не на письменном столе.[2] Многие природные алмазы ювелирного качества очень древние: их возраст часто оценивают примерно от 1 до 3,3 миллиарда лет.[2] Они сохраняются потому, что, однажды приняв алмазную структуру, углерод крайне трудно из неё вывести.
Старый рекламный слоган физически неверен, но практически полезен. Алмазы не вечны в строгом смысле. Это углерод, пойманный в сияющей и упрямой структуре, почти незаметно склоняющейся к тускло-серой стабильности графита. На пальце камень продолжает сверкать. Но на масштабе, где материя ищет свой самый низкоэнергетический дом, карандаш всё это время уже ждал.
