Timantti

Raakatimantti
Image by Unknown USGS employee - Original source: USGS "Minerals in Your World" website.
Licensed under Public Domain via Wikimedia Commons

Timantti on eräs hiilen allotrooppi. Kreikankielestä tuleva sana (allos + tropos muunlainen muoto) tarkoittaa saman alkuaineen tai kemikaalin esiintymistä eri muodoissa samassa fyysisessä tilassa.
Kyseessä on kristallinen monimuotoisuus (polymorphism). Allotropia temiä käytetään ainoastaan alkuaineista, ei niiden yhdistelmiä käsittävistä molekyyleistä.

Itse alkuaineen pitää tietenkin jo olla olemassa, ennenkuin sen atomit liittyvät toisiinsa eri tavoin muodostaen toisistaan rakenteellisesti eroavia molekyylejä, Tästä syystä alkuaineen ja sen allotrooppien syntymekanismit ja ajoitus ovat myös erilaiset.

Hiili
Jumala tekee timanttiin tarvittavaa hiiltä tähdissä, josta sitä supernovien räjähdysten levittämän avaruuspölyn kautta on tullut maapallon rakennusaineeksi aurinkokunnan muodostuessa.

Aurinko on alkujaan hyytävän kylmä vetypilvi , jonka painovoima on tiivistänyt palloksi. Tietyssä vaiheessa avaruudessa olevan vedyn syöksyessä kohti tähden tiivistyvää keskusta kaasu kuumenee pisteeseen, jossa se syttyy palamaan. Vetyatomit alkavat liittyä, fuusioitua, toisiinsa alkuaineeksi, jota kutsutaan auringon mukaan heliumiksi.

Taivaallisen fuusioreaktorin koosta riippuen prosessin kuluessa syntyy tarkassa matemaattisessa järjestyksessä alkuaineiden kymmenen kärjessä

Vety (Hydrogen H 1)
Helium  (Helium He 2)
....
Lithium (Li 3)
Beryllium (Be 4)
Boron (B 5)
Hiili (Carbon C 6)
Typpi (Nitrogen N 7)
Happi (Oxygen O 8)
Fluori (Fluoriini F 9)
Neon (N 10)

Astronomit kutsuvat kaikkia tähdissä esiintyviä heliumia raskaampia alkuaineita "metalleiksi".  Kun aurinkoa masssiivisempi tähti räjähtää supernovana, pamaus on niin valtava, että siinä sekunnin murto-osissa syntyvät maailmankaikkeudessa tunnetut raskaammat atomit aina uraania myöten (U 92).

Kotiplaneettamme koostumuksessa hiiltä on vähän, mutta se on orgaanisen elämän välttämätön edellytys ja tärkeä osa maata ympäröivää ilmakehää. Näin arvioidaan alkuaineiden suhteelliset määrät koko planeetan massassa (wikipedia)

rauta (32.1%)
happi  (30.1%)
silikoni (15.1%)
magnesium (13.9%)
sulfur (2.9%)
nikkeli (1.8%)
kalsium (1.5%)
alumiini (1.4%)

Hiili kuuluu loppuihin 1.2% maapallon rakennusaineista, joten sitä on niukasti. Sen sijaan ihmisen kehossa on suhteellisesti toiseksi eniten juuri hiiltä
happi (65%)
hiili (18%)
vety (10%)
typpi (3%)
muut alkuaineet yhteensä (4%)


Allotroopit
Hiilen eräs koko luomakunnan kannalta tärkeä ominaisuus on siitä muodostuneiden molekyylien allotrooppien suuri lukumäärä. Viime vuosina tutkimus on löytänyt aiemmin tuntemattomia hiilen alltrooppeja. Uusia ja varsin merkittäviä sovellutuksia tieteen ja tekniikan alalla, kuten esimerkiksi suoranaiseksi ihmeaineeksi paljastuneen grafeenin kohdalla on käynyt nanotekniikan alueella.

Hiilen allotrooppeja, timantti ja grafiitti
kuva wikimedia

amorfinen - vapaita atomeita ilman kristallirakennetta
timantti  - hiiliatomit liittyvät toisiinsa nelisivuisista pyramideista koostuvassa ristikossa (tetrahedral lattice).
grafiitti  - hiiliatomit liittyvät toisiinsa kahdeksankulmaisessa ristikossa (octagonal lattice)  Näitä kerrostumia on päällekkäin. Grafeeni on yksi ainoa kerros grafiittiverkostoa.

Buckminsterfullerene C₆₀
kuva wikimedia

fullereenit - hiiliatomit liittyvät toisiinsa kahdeksankulmaisina tai viisikulmaisina palloina, putkina tai muina muotoina.


Timanttien synty
Jumala tekee luonnossa esiintyvät timantit - viime aikoina myös ihminen on oppinut tekemään niitä keinotekoisesti.

Timantin synty edellyttää hiilipitoista ainesta, johon kohdistuu koreka paine (45 - 60 kilobaria) ja joka on 900 - 1300 Celsius asteen kuumuudessa.  Hiiliatomit voivat silloin sitoutua toisiinsa timantt allotrooppii.

Tällaiset olosuhteet esiintyvät maapallolla kahdessa paikassa, kivikehän (litosfäärin) alla manttelissa noin 140-190 km syvyydessä sekä meteoriittien iskupaikoilla. Erilaiset maan pintakuoren mullistukset tuovat niitä sitten lähemmäksi maanpintaa..

1. harzburgitic timantit ovat syntyneet epäorgaanisesta hiilestä manttelissa.
2. eclogitic timantit sisältävät orgaanista hiiltä, joka on tektonisten liikkeiden myötä joutunut syvälle maan pintakuoren alle.

Näissä on säännöllisesti erilaiset hiilit-isotooppien C12 ja C13 suhteet.

Maanpinnalle tulleet timantin ovat vanhoja: ne ajoitetaan miljardista 3.3 miljardiin vuoteen arviolta noin 4.5 miljardia vuotta vanhalla maapallolla. 

Hope timantti

Kuuluisin värillinen timantti - Hope timantti - sisältää boronia, joka antaa sinisen värin
kuva wikimedia

The Hope Diamond, also known as "Le Bijou du Roi" ("the King's Jewel"), "Le bleu de France" ("the Blue of France"), and the Tavernier Blue, is a large, 45.52-carat (9.104 g), deep-blue diamond, and now housed in the National Gem and Mineral collection at the Smithsonian Institution's Natural History Museum in Washington, D.C.

It is blue to the naked eye because of trace amounts of boron within its crystal structure, and exhibits red phosphorescence after exposure to ultraviolet light.  It is classified as a Type IIb diamond, and is notorious for supposedly being cursed. It has a long recorded history, with few gaps, in which it changed hands numerous times on its way from India to France to Britain and eventually to the United States, where it has been regularly on public display since. It has been described as the "most famous diamond in the world".
wikipedia