El diamante y el grafito están hechos de átomos de carbono. El diamante tiene una estructura de tetraedro mientras que el grafito tiene una estructura hexagonal plana. ¿Por qué el diamante es transparente mientras que el grafito no lo es (al menos no con más de un par de capas)?
La respuesta radica en la estructura de bandas de los dos materiales. La estructura de bandas describe cómo están ligados los electrones en un sólido y qué otros estados de energía están disponibles para ellos.
Muy simplemente, la distancia de banda para diamantes transparentes es muy amplia (ver este enlace):
Normalmente, el diamante no es un conductor: todos los electrones están en la "banda de valencia" y se necesita un fotón con al menos 5,4 eV de energía para empujar un electrón a la banda de conducción. En el proceso, ese fotón sería absorbido. Un fotón con menos energía no puede transferir su energía a un electrón, porque ese electrón "no tiene a dónde ir". Y dado que la luz visible tiene energías entre 1,65 y 3,1 eV, solo los fotones UV tienen la suficiente energía para ser absorbidos por un diamante puro.
Ese mismo enlace también describe cómo las impurezas dan origen al color en el diamante: por ejemplo, los átomos de nitrógeno producen un nivel de energía "intermedio" y eso da lugar a electrones más energéticos que podrían saltar la distancia hasta la banda de conducción y absorber luz.
Por el contrario, el grafito es un conductor. Siendo conductor, ya tiene electrones en la banda de conducción. Lo sabemos porque incluso un pequeño voltaje dará origen a una corriente, esto nos dice que los electrones no necesitan ser "elevados" a la banda de conducción primero. Y dado que los electrones absorberán cualquier cantidad de energía fácilmente, el material absorbe todas las longitudes de onda de la luz: lo que lo hace negro.
Sé, pero se siente bastante incompleto por eso. Y honestamente ni siquiera sé la respuesta a eso. ¿Tú sí? ¿Es simplemente porque el grafito suele encontrarse en forma amorfa, por lo que los planos cristalinos están todos desalineados, por lo que falla el fenómeno cuántico mecánico de reflexión? Mientras que los cristales de silicio tienden a ser lo suficientemente grandes para que la retícula cristalina regular admita la reflexión?
Los diamantes son inestables en comparación con el carbón (o más exactamente, grafito) por lo que se requiere alta temperatura y presión para que los diamantes se formen a partir del grafito. La razón por la que el carbón (grafito) es negro y los diamantes son transparentes tiene que ver con cómo los átomos de carbono están conectados en las dos formas diferentes de carbono. En el diamante, cada átomo de carbono está unido a sus vecinos como los puntos de una pirámide. En el grafito (carbón), los átomos están conectados entre sí en planos planos. Los planos planos pueden absorber luz de todas las longitudes de onda (colores) mientras que las pirámides encontradas en los diamantes no pueden absorber ninguna luz visible y como resultado son transparentes. La razón de la diferencia es que los electrones en las grandes láminas planas de grafito pueden "moverse" a muchas frecuencias, pero los electrones fuertemente unidos y restringidos en el diamante no son libres de "moverse" y por lo tanto no pueden absorber luz. El calor y la presión cambian el carbón en diamante, pero es el cambio en la estructura cristalina lo que resulta en el cambio de color. El grafito está compuesto por láminas planas de carbono similar a la pizarra y básicamente sigue yendo en todas direcciones hasta el final de la lámina. El diamante es un cristal de 7 carbonos, que es tridimensional y por lo tanto le da al cristal propiedades refractivas de la luz. El color es resultado de la absorción de luz o de la reflexión de la luz. El negro significa que se están absorbiendo todos los colores posibles y el blanco significa que se están reflejando todos los colores. En el caso del diamante, es transparente porque la luz pasa a través de él.
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Solo una nota rápida - la estructura cristalina del diamante es en realidad cúbica. En cada átomo de carbono, los vecinos más cercanos están en una configuración tetraédrica (por lo que el grupo puntual es tetraédrico), pero las celdas unidad más simples de la red son cubos.