Công nghiệp chế tạo kim cương liệu có thành hiện thực?

Bình luận Ánh Dương • 10:26, 20/11/20

Giúp NTDVN sửa lỗi

Trong tự nhiên, kim cương hình thành dưới sâu trong lòng Trái đất qua hàng tỷ năm. Quá trình này yêu cầu môi trường có áp suất đặc biệt cao và nhiệt độ vượt quá 1.000 ℃. Tuy nhiên, lần đầu tiên các nhà khoa học đã tạo ra được kim cương trong phòng thí nghiệm theo phương pháp mới.

Nhóm nghiên cứu quốc tế bao gồm gồm: Giáo sư Dougal McCulloch thuộc Đại học RMIT và Giáo sư vật lý Jodie Bradby thuộc Đại học Quốc gia Úc đã tạo ra hai loại kim cương khác nhau ở nhiệt độ phòng - và chỉ trong vài phút. Đây là lần đầu tiên kim cương được sản xuất thành công trong phòng thí nghiệm mà không cần thêm nhiệt.

Phát hiện của các nhà khoa học đã được công bố trên tạp chí Small.

Có nhiều hơn một dạng kim cương

Các nguyên tử cacbon có thể liên kết với nhau theo một số cách để tạo thành các vật liệu khác nhau bao gồm than chì đen mềm và kim cương cứng trong suốt.

Có nhiều dạng carbon nổi tiếng với liên kết giống như than chì, bao gồm graphene, một loại vật liệu mỏng nhất từng đo được. Nhưng bạn có biết rằng cũng có nhiều loại vật liệu làm từ carbon với liên kết giống như kim cương không?

Trong một viên kim cương bình thường, các nguyên tử được sắp xếp theo cấu trúc tinh thể lập phương. Tuy nhiên, cũng có thể sắp xếp các nguyên tử cacbon này để chúng có cấu trúc tinh thể hình lục giác.

Dạng kim cương khác biệt này được gọi là Lonsdaleite, được đặt theo tên của nhà tinh thể học người Ireland và là thành viên của Hiệp hội Hoàng gia Kathleen Lonsdale, người đã nghiên cứu cấu trúc của carbon bằng cách sử dụng tia X.

Cấu trúc tinh thể của kim cương lập phương và Lonsdaleite lục giác có các nguyên tử được sắp xếp khác nhau.
Cấu trúc tinh thể của kim cương lập phương và Lonsdaleite lục giác có các nguyên tử được sắp xếp khác nhau.

Có nhiều sự quan tâm đến dạng kim cương Lonsdaleite, vì nó được dự đoán là cứng hơn 58% so với kim cương thông thường - vốn đã được coi là vật liệu tự nhiên cứng nhất trên Trái đất.

Loại kim cương Lonsdaleite này được phát hiện lần đầu tiên trong tự nhiên, tại địa điểm của hố thiên thạch Canyon Diablo ở Arizona. Kể từ đó, một lượng nhỏ chất này đã được tổng hợp trong phòng thí nghiệm bằng cách nung nóng và nén than chì, sử dụng máy ép áp suất cao hoặc chất nổ.

Nghiên cứu của các nhà khoa học thuộc nhóm nghiên cứu cho thấy cả Lonsdaleite và kim cương thông thường đều có thể được hình thành ở nhiệt độ phòng trong môi trường phòng thí nghiệm, chỉ bằng cách áp dụng áp suất cao.

Nhiều cách để tạo ra một viên kim cương

Kim cương đã được tổng hợp trong các phòng thí nghiệm từ năm 1954. Sau đó, Tracy Hall tại General Electric đã tạo ra chúng bằng cách sử dụng một quy trình mô phỏng các điều kiện tự nhiên bên trong vỏ Trái đất, thêm chất xúc tác kim loại để tăng tốc quá trình tăng trưởng.

Kết quả là những viên kim cương có áp suất cao, nhiệt độ cao tương tự như những viên kim cương được tìm thấy trong tự nhiên, nhưng thường nhỏ hơn và kém hoàn hảo hơn. Chúng vẫn được sản xuất ngày nay, chủ yếu cho các ứng dụng công nghiệp.

Phương pháp sản xuất kim cương chính khác là thông qua quy trình khí hóa học sử dụng một viên kim cương nhỏ làm “hạt giống” để phát triển những viên kim cương lớn hơn. Nhiệt độ khoảng 800 ℃ là bắt buộc. Mặc dù tăng trưởng khá chậm, những viên kim cương này có thể phát triển lớn và tương đối không có khuyết tật.

Thiên nhiên đã cung cấp những gợi ý về những cách khác để hình thành kim cương, bao gồm trong quá trình tác động dữ dội của thiên thạch vào Trái đất, cũng như trong các quá trình như va chạm tiểu hành tinh tốc độ cao trong hệ mặt trời của chúng ta - tạo ra thứ mà chúng ta gọi là "kim cương ngoài Trái đất".

Các nhà khoa học đã cố gắng tìm hiểu chính xác cách thức va chạm hoặc sự hình thành kim cương ngoài Trái đất. Có một số bằng chứng cho thấy, ngoài nhiệt độ và áp suất cao, lực trượt (còn được gọi là lực "cắt") có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc kích hoạt sự hình thành của chúng.

Trong lực 'cắt', vật thể bị đẩy theo một hướng ở một đầu và hướng ngược lại ở đầu kia.
Trong lực 'cắt', vật thể bị đẩy theo một hướng ở một đầu và hướng ngược lại ở đầu kia. (Ảnh: Wiki Commons)

Một vật chịu tác dụng của lực cắt thì bị đẩy theo một hướng ở phía trên và ngược chiều ở phía dưới.

Một ví dụ sẽ là đẩy một bộ bài sang trái ở trên cùng và sang phải ở dưới cùng. Điều này sẽ buộc bộ bài trượt và các lá bài sẽ trải ra. Do đó, lực cắt còn được gọi là lực "trượt".

Tạo kim cương ở nhiệt độ phòng

Đối với công việc của mình, các nhà khoa họci đã thiết kế một thí nghiệm trong đó một chip nhỏ bằng carbon giống như than chì chịu cả lực cắt cực lớn và áp suất cao, để khuyến khích sự hình thành kim cương.

Không giống như hầu hết các công việc trước đây, không có gia nhiệt bổ sung nào được áp dụng cho mẫu carbon trong quá trình nén. Sử dụng kính hiển vi điện tử tiên tiến - một kỹ thuật được sử dụng để chụp ảnh có độ phân giải rất cao - mẫu thu được được phát hiện có chứa cả kim cương thường và Lonsdaleite.

Theo cách sắp xếp chưa từng thấy trước đây, một “dòng sông” kim cương mỏng (nhỏ hơn sợi tóc người khoảng 200 lần) được bao quanh bởi một “biển” Lonsdaleite.

Hình ảnh kính hiển vi điện tử này cho thấy một "dòng sông" kim cương trong một "biển" Lonsdaleite.
Hình ảnh kính hiển vi điện tử này cho thấy một "dòng sông" kim cương trong một "biển" Lonsdaleite.

Sự sắp xếp của cấu trúc gợi nhớ đến “dải cắt” được quan sát thấy trong các vật liệu khác, trong đó một khu vực hẹp sẽ trải qua biến dạng cục bộ, cường độ cao. Điều này cho thấy lực cắt là chìa khóa để hình thành những viên kim cương này ở nhiệt độ phòng.

Hy vọng cho ngành công nghiệp chế tạo kim cương 

Khả năng tạo kim cương ở nhiệt độ phòng chỉ trong vài phút, mở ra nhiều khả năng chế tạo kim cương cho các nhà khoa học vật liệu.

Cụ thể, việc chế tạo Lonsdaleite “cứng hơn kim cương” theo cách này là một tin tức thú vị cho các ngành công nghiệp cần vật liệu cực kỳ cứng. Ví dụ, kim cương được sử dụng để phủ các mũi khoan và lưỡi cắt để kéo dài tuổi thọ sử dụng của các công cụ này.

Thách thức tiếp theo đối với các nhà khoa học là giảm áp suất cần thiết để tạo thành những viên kim cương.

Trong nghiên cứu của nhóm các nhà khoa học, áp suất thấp nhất ở nhiệt độ phòng nơi kim cương được quan sát thấy đã hình thành là 80 gigapascal. Đây là áp suất tương đương với việc ép 640 con voi châu Phi lên mũi một chiếc giày ba lê!

Nếu cả kim cương và Lonsdaleite đều có thể được tạo ra ở áp suất thấp hơn, chúng ta có thể tạo ra nhiều thứ hơn, nhanh hơn và rẻ hơn.

Ánh Dương

Theo The Conversation

Khoa học Công nghệ


BÀI CHỌN LỌC

Công nghiệp chế tạo kim cương liệu có thành hiện thực?