O diamante é o alótropo do carbono no qual os átomos de carbono estão organizados no tipo específico de rede cúbica chamado estrutura cúbica do diamante. É um cristal que varia de transparente a opaco e que geralmente é isotrópico, sem birrefringência ou com birrefringência muito fraca. O diamante é o material de ocorrência natural mais duro conhecido. Ainda assim, devido à importante fragilidade estrutural, a tenacidade à fratura do diamante maciço é apenas razoável a boa. A resistência à tração precisa do diamante maciço é pouco conhecida; contudo, já foi observada resistência à compressão de até 60 GPa, e ela poderia chegar a 90–100 GPa na forma de fios ou agulhas em escala micro/nanométrica, com cerca de 100–300 nm de diâmetro e comprimento de micrômetros, com uma deformação elástica máxima por tração correspondente superior a 9%. A anisotropia da dureza do diamante é cuidadosamente considerada durante a lapidação de diamantes. O diamante tem alto índice de refração (2,417) e dispersão moderada (0,044), propriedades que dão brilho aos diamantes lapidados. Cientistas classificam os diamantes em quatro tipos principais de acordo com a natureza dos defeitos cristalográficos presentes. Impurezas-traço que substituem átomos de carbono na estrutura cristalina do diamante e, em alguns casos, defeitos estruturais, são responsáveis pela ampla variedade de cores observada no diamante. A maioria dos diamantes é isolante elétrico e condutor térmico extremamente eficiente. Diferentemente de muitos outros minerais, a densidade relativa dos cristais de diamante (3,52) apresenta variação relativamente pequena de diamante para diamante.
Dureza e estrutura cristalina Conhecido pelos antigos gregos como (adámas, "apropriado, inalterável, inquebrável") e às vezes chamado de adamante, o diamante é o material de ocorrência natural mais duro conhecido e serve como definição do valor 10 na escala de Mohs. O diamante é extremamente resistente devido à sua estrutura cristalina, conhecida como , na qual cada átomo de carbono tem quatro vizinhos ligados covalentemente a ele. O nitreto de boro cúbico maciço (c-BN) é quase tão duro quanto o diamante. O diamante reage com alguns materiais, como o aço, e o c-BN sofre menos desgaste ao cortar ou desgastar esse material. Sua estrutura de blenda de zinco é semelhante à estrutura cúbica do diamante, mas com tipos alternados de átomos. Um material atualmente hipotético, o nitreto de carbono beta (β-C3N4), também pode ser tão duro quanto o diamante ou mais duro em uma de suas formas. Demonstrou-se que alguns agregados de diamante com tamanho de grão nanométrico são mais duros e tenazes que cristais convencionais grandes de diamante; por isso, apresentam melhor desempenho como material abrasivo. Devido ao uso desses novos materiais ultraduros para ensaios de diamante, valores mais precisos de dureza do diamante são hoje conhecidos. Uma superfície perpendicular à direção cristalográfica — isto é, a diagonal mais longa de um cubo — de um diamante puro, do tipo IIa, tem dureza de 167 GPa quando riscada com uma ponta de nanodiamante, enquanto a própria amostra de nanodiamante apresenta valor de 310 GPa quando testada com outra ponta de nanodiamante. Como o ensaio só funciona adequadamente com uma ponta feita de material mais duro que a amostra testada, o valor real para o nanodiamante provavelmente é um pouco menor que 310 GPa.
miniaturadaimagem|esquerda|Visualização de uma célula unitária cúbica do diamante: 1. componentes de uma célula unitária; 2. uma célula unitária; 3. uma rede de 3×3×3 células unitárias miniaturadaimagem|245px|Volume molar em função da pressão à temperatura ambiente. miniaturadaimagem|Modelo 3D de esferas e varetas de uma rede de diamante A resistência à tração precisa do diamante é desconhecida, embora tenha sido observada resistência de até 60 GPa e, teoricamente, ela possa chegar a 90–225 GPa dependendo do volume ou tamanho da amostra, da perfeição da rede do diamante e de sua orientação. A resistência à tração é mais elevada na direção cristalina , normal à face cúbica, menor na e menor ainda no eixo , ao longo da diagonal mais longa do cubo. O diamante também tem uma das menores compressibilidades entre todos os materiais.
Diamantes cúbicos apresentam clivagem octaédrica perfeita e fácil. Isso significa que eles têm apenas quatro planos — direções fracas que seguem as faces do octaedro, onde há menos ligações — ao longo dos quais o diamante pode se partir facilmente sob impacto contundente, deixando uma superfície lisa. De modo semelhante, a dureza do diamante é marcadamente direcional: a direção mais dura é a diagonal na face do cubo, cem vezes mais dura que a direção mais macia, que é o plano dodecaédrico. O plano octaédrico é intermediário entre esses dois extremos. O processo de lapidação de diamantes depende fortemente dessa dureza direcional, pois, sem ela, um diamante seria quase impossível de moldar. A clivagem também desempenha papel útil, especialmente em pedras grandes nas quais o lapidador deseja remover material defeituoso ou produzir mais de uma pedra a partir do mesmo diamante bruto, como no caso do Diamante Cullinan.
Os diamantes cristalizam no sistema cristalino cúbico do diamante, com grupo espacial Fdm, e consistem em átomos de carbono tetraedricamente ligados por ligações covalentes. Uma segunda forma, chamada lonsdaleíta, com simetria hexagonal, também foi encontrada, mas é extremamente rara e se forma apenas em meteoritos ou por síntese laboratorial. O ambiente local de cada átomo é idêntico nas duas estruturas. Considerações teóricas indicam que a lonsdaleíta deve ser mais dura que o diamante, mas o tamanho e a qualidade das pedras disponíveis são insuficientes para testar essa hipótese. Em termos de hábito cristalino, os diamantes ocorrem mais frequentemente como octaedros euédricos, isto é, bem formados, ou arredondados, e como octaedros maclados e achatados com contorno triangular. Outras formas incluem dodecaedros e, raramente, cubos. Há evidências de que impurezas de nitrogênio desempenham papel importante na formação de cristais euédricos bem formados. Os maiores diamantes encontrados, como o Diamante Cullinan, eram informes. Esses diamantes são puros, isto é, do tipo II, e portanto contêm pouco ou nenhum nitrogênio.
As faces dos octaedros de diamante são muito brilhantes devido à sua dureza; defeitos de crescimento de forma triangular, chamados trígonos, ou cavidades de corrosão, frequentemente estão presentes nas faces. A fratura de um diamante é irregular. Diamantes quase redondos, em razão da formação de múltiplos degraus em faces octaédricas, são comumente recobertos por uma película semelhante a goma, chamada nyf. A combinação de faces em degraus, defeitos de crescimento e nyf produz uma aparência "escamosa" ou ondulada. Muitos diamantes são tão distorcidos que poucas faces cristalinas podem ser reconhecidas. Alguns diamantes encontrados no Brasil e na República Democrática do Congo são policristalinos e ocorrem como massas esféricas, radiais, opacas e escuras de pequenos cristais; eles são conhecidos como ballas e são importantes para a indústria porque não apresentam os planos de clivagem do diamante monocristalino. O carbonado é uma forma semelhante, opaca e microcristalina, que ocorre em massas informes. Assim como o ballas, o carbonado não tem planos de clivagem, e sua densidade relativa varia amplamente entre 2,9 e 3,5. Diamantes bort, encontrados no Brasil, na Venezuela e na Guiana, são o tipo mais comum de diamante de grau industrial. Também são policristalinos e muitas vezes mal cristalizados; são translúcidos e clivam facilmente.
Hidrofobia e lipofilia Devido à grande dureza e às fortes ligações moleculares, as facetas e arestas de facetas de um diamante lapidado parecem extremamente planas e afiadas. Um efeito colateral curioso da perfeição da superfície de um diamante natural é a hidrofobia combinada com lipofilia. A primeira propriedade significa que uma gota de água colocada sobre um diamante forma uma gotícula coerente, enquanto, na maioria dos outros minerais, a água se espalharia pela superfície. Além disso, o diamante é incomumente lipofílico, o que significa que graxa e óleo se acumulam e se espalham facilmente sobre sua superfície; em outros minerais, o óleo formaria gotas coerentes. Essa propriedade é explorada no uso de lápis de graxa, que aplicam uma linha de graxa na superfície de um possível simulante de diamante. As superfícies do diamante são hidrofóbicas quando os átomos de carbono da superfície terminam com um átomo de hidrogênio e hidrofílicas quando os átomos da superfície terminam com um átomo de oxigênio ou um radical hidroxila. Tratamentos com gases ou plasmas que contenham o gás apropriado, a temperaturas de 450 °C ou superiores, podem alterar completamente a propriedade superficial. Diamantes naturais têm uma superfície com cobertura de oxigênio inferior a meia monocamada; o restante é hidrogênio, e o comportamento é moderadamente hidrofóbico. Isso permite sua separação de outros minerais na mina pelo chamado "cinto de graxa".
Tenacidade miniaturadaimagem|Diamantes em uma lâmina de esmerilhadeira angular Diferentemente da dureza, que indica apenas resistência ao risco, a tenacidade ou tenacidade mecânica do diamante é apenas razoável a boa. A tenacidade relaciona-se à capacidade de resistir à ruptura por quedas ou impactos. Por causa da clivagem perfeita e fácil do diamante, ele é vulnerável à quebra. Um diamante se estilhaça se for atingido por um martelo comum. A tenacidade do diamante natural foi medida como 2,0 MPa·m0,5, o que é bom em comparação com outras gemas, como a água-marinha azul, mas baixo em comparação com a maioria dos materiais de engenharia. Como em qualquer material, a geometria macroscópica de um diamante contribui para sua resistência à ruptura. O diamante tem um plano de clivagem e, portanto, é mais frágil em algumas orientações do que em outras. Lapidadores usam esse atributo para clivar algumas pedras antes do facetamento.
Diamantes ballas e carbonado são excepcionais, pois são policristalinos e, portanto, muito mais tenazes que o diamante monocristalino; são usados em brocas de perfuração profunda e em outras aplicações industriais exigentes. Certas formas de facetamento de diamantes são mais propensas à quebra e, por isso, podem não ser seguradas por seguradoras reputadas. A lapidação brilhante de gemas foi projetada especificamente para reduzir a probabilidade de quebra ou lascamento.
Cristais estrangeiros sólidos são comumente presentes no diamante. Em sua maioria são minerais, como olivina, granadas, rubi e muitos outros. Essas e outras inclusões, como fraturas internas ou "penas", podem comprometer a integridade estrutural de um diamante. Diamantes lapidados que foram melhorados para aumentar sua pureza por preenchimento vítreo de fraturas ou cavidades são especialmente frágeis, pois o vidro não resiste à limpeza ultrassônica nem ao calor do maçarico do joalheiro. Diamantes com fraturas preenchidas podem se estilhaçar se tratados de forma inadequada.
Resistência à pressão Usados nos chamados experimentos com bigorna de diamante para criar ambientes de alta pressão, os diamantes suportam pressões de esmagamento superiores a 600 gigapascais, ou 6 milhões de atmosferas.
Propriedades ópticas
Cor e suas causas miniaturadaimagem|Diamantes sintéticos de várias cores cultivados pela técnica de alta pressão e alta temperatura. O tamanho do diamante é de cerca de 2 mm. miniaturadaimagem|Diamantes puros, antes e depois da irradiação e do recozimento. No sentido horário a partir da parte inferior esquerda: 1) inicial (2×2 mm); 2–4) irradiados por doses diferentes de elétrons de 2 MeV; 5–6) irradiados por doses diferentes e recozidos a 800 °C.