Kỷ nguyên mới của vật liệu siêu cứng
Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã đạt được điều mà giới khoa học toàn cầu theo đuổi suốt hơn sáu thập kỷ: tạo ra kim cương lục giác tinh khiết ở dạng khối. Đột phá được công bố trên tạp chí Nature đánh dấu lần đầu tiên các nhà khoa học tổng hợp được những mẫu vật có kích thước milimét của dạng thù hình carbon hiếm này. Vật liệu được cho là cứng hơn kim cương lập phương thông thường, loại vật liệu đứng đầu thang độ cứng Mohs suốt nhiều thế hệ.
Nội dung
Nhóm nghiên cứu gồm các nhà vật lý thuộc Đại học Trịnh Châu, Đại học Cát Lâm và Trung tâm Nghiên cứu Tiên tiến Khoa học và Công nghệ Áp suất cao đã chấm dứt cuộc tranh luận khoa học kéo dài về việc liệu kim cương lục giác có tồn tại như một vật liệu riêng biệt hay không. Công trình xác nhận lonsdaleite, lần đầu được phát hiện trong một thiên thạch ở Arizona năm 1967, không chỉ là kim cương lập phương có khiếm khuyết mà là một pha carbon thực sự với các đặc tính độc đáo, có thể tạo bước ngoặt cho sản xuất công nghiệp, kỹ thuật hàng không vũ trụ và công nghệ cảm biến lượng tử.
Khác với kim cương tự nhiên hình thành sâu trong lớp phủ Trái Đất với các nguyên tử được sắp xếp theo cấu trúc lập phương, kim cương lục giác có các nguyên tử carbon xếp thành mạng tinh thể giống tổ ong. Cấu hình này tạo ra các liên kết ngắn và bền hơn giữa các lớp, có khả năng đem lại độ cứng và độ ổn định nhiệt vượt trội so với kim cương truyền thống dùng trong dụng cụ cắt, thiết bị khoan và linh kiện điện tử hiệu năng cao.
Việc tổng hợp vật liệu này không chỉ là một điều gây tò mò trong phòng thí nghiệm. Suốt nhiều thập kỷ, do không thể tạo ra kim cương lục giác tinh khiết với số lượng đủ để thử nghiệm, các đặc tính được dự đoán của nó vẫn chỉ nằm trên lý thuyết. Những nỗ lực trước đây chỉ tạo ra các tinh thể kích thước nano tồn tại trong vài nano giây, hoặc hỗn hợp lẫn graphite và kim cương lập phương, khiến việc xác định đặc tính một cách dứt khoát là bất khả thi. Bằng cách tạo ra các tinh thể có đường kính từ 100 micromét đến 1,8 milimét, nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã mở ra cơ hội đầu tiên để kiểm tra toàn diện các đặc tính cơ học của vật liệu khó nắm bắt này.
Sáu thập kỷ tranh cãi khoa học
Câu chuyện về kim cương lục giác bắt đầu năm 1962, khi các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Than Pittsburgh lần đầu đề xuất rằng các nguyên tử carbon có thể sắp xếp thành mạng lục giác thay vì cấu trúc lập phương quen thuộc. Biến thể được dự đoán này hứa hẹn độ cứng cao hơn nhờ cấu hình liên kết độc đáo, nhưng phải mất thêm năm năm và một chuyến đi từ ngoài Trái Đất mới có thể chứng minh sự tồn tại của nó.
Năm 1967, các nhà địa chất khảo sát những mảnh vỡ của thiên thạch Canyon Diablo từ miệng hố Barringer ở Arizona thông báo phát hiện một khoáng vật mới. Được đặt tên là lonsdaleite để vinh danh Dame Kathleen Lonsdale, nhà tinh thể học tiên phong đã xác lập cấu trúc của benzen, những viên kim cương lục giác này dường như hình thành dưới sức nóng và áp suất cực lớn khi thiên thạch va vào Trái Đất khoảng 50.000 năm trước. Sau đó, người ta cũng tìm thấy dấu vết tương tự trong thiên thạch Goalpara ở bang Assam, Ấn Độ.
Tuy nhiên, niềm vui đến quá sớm. Những người hoài nghi cho rằng các mẫu này hoàn toàn không phải kim cương lục giác thực sự, mà là kim cương lập phương có lỗi xếp lớp hoặc khiếm khuyết hỗn loạn, chỉ mô phỏng tính đối xứng lục giác. Năm 2021, các nhà nghiên cứu công bố những nghiên cứu cho rằng tất cả mẫu lonsdaleite từng được xác định thực chất đều là các biến thể kim cương lập phương bị nhận dạng nhầm. Sự hoài nghi này vẫn tồn tại vì chưa phòng thí nghiệm nào tạo ra được kim cương lục giác tinh khiết với số lượng đủ để dứt điểm tranh luận.
Tạo nên đột phá
Thành công của nhóm nghiên cứu Trung Quốc phụ thuộc vào việc phát triển một kỹ thuật áp suất cao, nhiệt độ cao mới nhằm xử lý tính bất ổn nhiệt động của kim cương lục giác. Trong khi kim cương lập phương vẫn là dạng carbon liên kết sp3 ổn định nhất ở mức áp suất lên đến 2 terapascals, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng cần kiểm soát động học quá trình hình thành kim cương lục giác bằng cách điều chỉnh cẩn thận hình thái tiền chất và điều kiện tổng hợp.
Sử dụng graphite nhiệt phân định hướng cao, một vật liệu carbon tổng hợp có các lớp nguyên tử được sắp xếp trật tự, nhóm nghiên cứu đã phát triển một hệ thống độc đáo tích hợp máy ép piston-xi lanh dùng nhôm oxit đặc cường độ cao vào máy ép đa đe. Cấu hình này cho phép họ nén graphite chủ yếu theo trục z, vuông góc với các lớp carbon, thay vì nén từ hai bên.
Các mẫu được nén ở áp suất 20 gigapascal, tương đương khoảng 200.000 lần áp suất khí quyển tại mực nước biển, trong mười giờ. Nhiệt độ dao động từ 2.300 đến 3.450 độ Fahrenheit (1.300 đến 1.900 độ C). Việc theo dõi theo thời gian thực bằng nhiễu xạ tia X tại chỗ giúp các nhà khoa học quan sát quá trình chuyển đổi vi mô, xác nhận sự chuyển pha martensit, trong đó graphite lục giác biến đổi thành kim cương lục giác nhờ các lớp trượt lên nhau và liên kết trực tiếp với nhau.
Đo lường hiệu năng vượt trội
Cuối cùng, khi đã có các mẫu kích thước milimét, nhóm nghiên cứu có thể tiến hành những thử nghiệm cơ học mang tính xác quyết. Bằng phương pháp đo độ cứng Vickers và các phép đo khác, họ đánh giá khả năng chống trầy xước và biến dạng của vật liệu. Kết quả cho thấy kim cương lục giác đạt độ cứng từ 114 đến 165 gigapascal, so với khoảng 110 gigapascal ở kim cương lập phương tự nhiên. Đây là mức tăng đáng kể, dù thấp hơn đôi chút so với mức tăng 50% được dự đoán ban đầu.
Ngoài độ cứng, vật liệu còn thể hiện độ ổn định nhiệt đáng chú ý, chống oxy hóa ở nhiệt độ lên tới 1.100 độ C. Đặc tính này khắc phục một hạn chế đáng kể của kim cương lập phương: chúng có thể xuất hiện khuyết tật bề mặt khi tiếp xúc với oxy ở nhiệt độ cao trong các hoạt động khoan hoặc cắt công nghiệp. Độ cứng vững và khả năng chống oxy hóa của cấu trúc lục giác gợi mở các ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt, nơi kim cương truyền thống không đáp ứng được.
Phân tích cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao xác nhận cách xếp lớp AB của các lớp mạng tổ ong uốn cong, đặc trưng của kim cương lục giác. Phân tích quang phổ cho thấy tất cả liên kết đều là liên kết sigma sp3, không có liên kết pi sp2 vốn là dấu hiệu của graphite còn sót lại. Đáng chú ý, một liên kết giữa các lớp ngắn hơn ba liên kết còn lại, qua đó lý giải độ bền cấu trúc cao hơn so với kim cương lập phương.
Ứng dụng công nghiệp và khoa học
Việc tạo ra kim cương lục giác dạng khối mở đường cho những ứng dụng trước đây bị giới hạn bởi ngưỡng hiệu năng của kim cương lập phương. Chong-Xin Shan, đồng tác giả chính của nghiên cứu và là nhà vật lý tại Đại học Trịnh Châu, nêu một số lĩnh vực đầy triển vọng.
Vật liệu này có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như dụng cụ cắt, vật liệu quản lý nhiệt và cảm biến lượng tử,
Shan nói với Nature.
Các lĩnh vực hàng không vũ trụ và quốc phòng đặc biệt có thể hưởng lợi. Độ cứng và độ ổn định nhiệt vượt trội khiến kim cương lục giác trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng gia công và khoan đòi hỏi độ chính xác và độ bền cực cao. Khác với kim cương tự nhiên bị hạn chế bởi hoạt động khai thác và các quan ngại về đạo đức, kim cương lục giác nuôi cấy trong phòng thí nghiệm có thể là lựa chọn thay thế bền vững với hiệu năng cao hơn.
Về mặt địa chất, việc tổng hợp vật liệu này cung cấp những hiểu biết quan trọng về quá trình thiên thạch va chạm. Hiểu được cách kim cương lục giác hình thành trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cực cao giúp các nhà khoa học nhận diện những vụ va chạm và tái dựng lịch sử hình thành hành tinh trong hệ Mặt Trời. Sự hiện diện của lonsdaleite trong các thiên thạch như Canyon Diablo giờ đây đã có lời giải: nó là sản phẩm của những điều kiện biến chất do va chạm đặc thù mà nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã tái tạo thành công.
Giới khoa học toàn cầu xác nhận
Nghiên cứu đã thu hút sự chú ý đáng kể của cộng đồng khoa học quốc tế. Oliver Tschauner, nhà tinh thể học tại Đại học Nevada, Las Vegas, người phản biện nghiên cứu cho Nature, đã xác nhận mạnh mẽ các phát hiện này.
Có hàng trăm tuyên bố từ những người tin rằng họ đã nhìn thấy nó, nhưng đây là lần đầu tiên vật liệu khó nắm bắt này được xác định đặc tính một cách chính xác,
Tschauner cho biết.
Eiichi Nakamura, nhà hóa học vô cơ tại Đại học Tokyo, người từng nghiên cứu các dạng thù hình carbon, nhấn mạnh ý nghĩa về phương pháp của công trình.
Phương pháp hai bước mới này lần đầu tiên cung cấp bằng chứng xác đáng rằng kim cương lục giác là một vật liệu dạng khối riêng biệt và có thể thu hồi được,
Nakamura nói.
Ho-kwang Mao, chuyên gia khoa học áp suất cao và là thành viên nước ngoài của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, lưu ý đến những ý nghĩa rộng hơn đối với khoa học vật liệu.
Kim cương lục giác tổng hợp này được kỳ vọng sẽ mở ra những hướng đi mới cho việc phát triển vật liệu siêu cứng và thiết bị điện tử cao cấp,
Mao nói với South China Morning Post.
Dù đầy phấn khởi, các nhà nghiên cứu thừa nhận vẫn còn nhiều thách thức trước khi thương mại hóa. Thiết bị áp suất cao chuyên dụng cần thiết để tổng hợp vật liệu khiến năng lực sản xuất hiện nay bị hạn chế. Vì vậy, các ứng dụng ban đầu có thể sẽ tập trung vào những thị trường ngách có giá trị cao, như thiết bị khoa học chính xác và dụng cụ cắt công nghiệp chuyên dụng, thay vì trang sức đại chúng.
Kết luận chính
- Các nhà khoa học Trung Quốc lần đầu tiên tổng hợp được kim cương lục giác tinh khiết (lonsdaleite) kích thước milimét, khép lại 60 năm tranh cãi khoa học về việc liệu đây có phải một vật liệu riêng biệt hay không.
- Vật liệu có độ cứng từ 114 đến 165 gigapascal, vượt mức khoảng 110 gigapascal của kim cương lập phương tự nhiên, đồng thời có độ ổn định nhiệt cao hơn ở nhiệt độ lên tới 1.100 độ C.
- Để tạo ra quá trình chuyển đổi, các nhà nghiên cứu nén graphite nhiệt phân định hướng cao ở áp suất 20 gigapascal (gấp 200.000 lần áp suất khí quyển), nhiệt độ từ 1.300 đến 1.900 độ C trong 10 giờ.
- Các ứng dụng tiềm năng gồm dụng cụ cắt tiên tiến, hệ thống quản lý nhiệt cho thiết bị điện tử, thiết bị cảm biến lượng tử và linh kiện hàng không vũ trụ đòi hỏi độ bền cực cao.
- Đột phá này giải quyết những hoài nghi kéo dài về việc liệu kim cương lục giác có tồn tại như một pha carbon riêng biệt hay chỉ là cấu trúc kim cương lập phương có khiếm khuyết.
