Các nhà khoa học đã tạo ra được loại kim cương mới

Dân trí

Trong tự nhiên, kim cương hình thành sâu dưới lòng đất qua hàng tỷ năm. Quá trình này đòi hỏi môi trường phải trong điều kiện áp suất cực kỳ lớn và nhiệt độ hơn 1.000 độ C.

Các nhà khoa học đã tạo ra được loại kim cương mới - 1

Cấu trúc tinh thể của kim cương thường và kim cương sáu phương/ kim cương Lonsdaleite có các nguyên tử sắp xếp khác nhau.

Mới đây, một nhóm chuyên gia quốc tế đã tạo ra được hai loại kim cương khác nhau ở nhiệt độ trong phòng và chỉ mất vài phút. Đây là lần đầu tiên kim cương được chế tạo thành công trong phòng thí nghiệm mà không cần môi trường nhiệt độ cao.

Có hơn một dạng kim cương

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

Dạng khác biệt này của kim cương được gọi là Lonsdaleite (kim cương sáu phương), được đặt theo tên của nhà tinh thể học người Ai Len Kathleen Lonsdale, người đã dùng tia X để nghiên cứu cấu trúc carbon.

Kim cương sáu phương được nhiều người quan tâm hơn vì nó được dự đoán là cứng hơn 58% so với kim cương thông thường, mà kim cương thông thường đã được coi là vật liệu tự nhiên cứng nhất trên Trái Đất. 

Kim cương sáu phương được phát hiện lần đầu tiên ở hố va chạm của vẫn thạch Canyon Diablo ở Arizona, Mỹ. Các nhà khoa học cũng đã tạo ra được một chút kim cương này trong phòng thí nghiệm bằng cách ép áp suất cao hoặc chất nổ để đốt và nén graphite.

Nghiên cứu mới đây cho thấy cả kim cương sáu phương và kim cương thông thường đều có thể hình hành bằng một thí nghiệm ở nhiệt độ phòng và chỉ cần có áp suất cao.

Những cách tạo ra kim cương

Kim cương từng được tổng hợp trong các phòng thí nghiệm từ năm 1954. Sau đó, nhà hóa học vật lý người Mỹ Tracy Hall đã tạo ra kim cương từ một quá trình mô phỏng các điều kiện tự nhiên nằm sâu trong lớp vỏ Trái Đất, thêm chất xúc tác kim loại để tăng tốc quá trình này.

Kết quả là kim cương được tạo ra nhờ áp suất cao và nhiệt độ cao, tương tự như kim cương tìm thấy trong tự nhiên, nhưng thường là nhỏ hơn và không hoàn hảo bằng kim cương tự nhiên. Cách chế tạo này ngày nay vẫn được áp dụng và chủ yếu để phục vụ các ứng dụng công nghiệp.

Một phương pháp phổ biến khác để chế tạo kim cương là sử dụng quá trình khí hóa có dùng một lượng nhỏ kim cương làm “giống” để phát triển thành những mảnh kim cương to hơn. Quy trình này cần thực hiện ở nhiệt độ khoảng 800 độ C. Mặc dù hơi mất thời gian, nhưng kim cương chế tạo kiểu này sẽ được những mảnh to hơn và gần như hoàn hảo. 

Thế giới tự nhiên cũng có những cách khác để tạo ra kim cương, trong đó có tác động tàn phá của các vẫn thạch trên Trái Đất, hay những quá trình như là các vụ chạm của các thiên thạch với hệ mặt trời của chúng ta tạo nên cái gọi là “kim cương đến từ vũ trụ”.

Các nhà khoa học vẫn đang cố gắng để hiểu được chính xác kim cương tác động hay kim cương đến từ vũ trụ hình thành như thế nào. Có một bằng chứng cho thấy bên cạnh nhiệt độ cao và áp suất cao, lực trượt hay lực cắt cũng đóng một vai trò quan trọng trong quá trình hình thành kim cương.

Một vật thể chịu tác động của lực cắt thì bị phần trên bị đẩy về một phía và phần dưới bị đẩy về phía ngược lại. Ví dụ: khi đẩy nửa trên và nửa dưới của 1 bộ quân bài theo 2 hướng ngược nhau thì các quân bài sẽ trượt và trải dài ra, vì thế lực cắt còn được gọi là lực trượt.

Tạo ra kim cương ở nhiệt độ phòng

Trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học thiết kế một thí nghiệm trong đó sử dụng một mẩu nhỏ carbon giống như graphite vừa chịu lực cắt cực mạnh vừa chịu áp suất cao để thúc đẩy sự hình thành kim cương.

Không như hầu hết các cách tạo ra kim cương trước đây, lần này họ không tăng nhiệt độ cho mẫu vật carbon. Quan sát qua kính hiển vi điện tử hiện đại, một kỹ thuật chụp ảnh có độ phân giải rất cao, các nhà nghiên cứu nhận thấy kết quả kim cương được tạo ra gồm cả kim cương thông thường và kim cương sáu phương. Chúng được sắp xếp dưới dạng chưa từng có, một “dòng sông” kim cương vô cùng mảnh (mảnh hơn 200 lần so với một sợi tóc) và bao quanh là một “biển” kim cương sáu phương.

Khả năng tạo ra kim cương ở nhiệt độ phòng chỉ trong vài phút mở ra vô vàn hướng đi cho lĩnh vực chế tạo, đặc biệt là những ngành cần các vật liệu siêu cứng, ví dụ như kim cương dùng để bọc đầu mũi khoan hoặc lưỡi cắt để kéo dài thời gian sử dụng cho các dụng cụ này.

Thử thách tiếp theo sẽ làm giảm được áp suất mà vẫn tạo ra được kim cương tương tự. Trong các thí nghiệm của nghiên cứu này, áp suất thấp nhất ở điều kiện nhiệt độ phòng để tạo ra kim cương là 80 gigapascal, tương đương với sức nặng của 640 con voi châu Phi đè xuống một mũi giày ba lê. Nếu có thể chế tạo ra cả kim cương thường và kim cương sáu phương ở điều kiện áp suất thấp hơn thì chúng ta có thể tạo ra được nhiều kim cương hơn, nhanh hơn và rẻ hơn.

Phạm Hường 

Theo The Conversation

Từ khóa: