‘Siêu kim cương’ đang định nghĩa lại giới hạn vật liệu

Các nhà khoa học đang tạo ra ’siêu kim cương’ cứng hơn bất kỳ khoáng chất nào trên Trái đất.

Các nhà khoa học đã có bước tiến lớn trong việc hoàn thiện phương pháp tổng hợp lonsdaleite, loại “ siêu kim cương” cứng hơn bất kỳ khoáng chất nào trên Trái đất. Ảnh: Getty Images

Được xác định lần đầu tiên vào năm 1967, lonsdaleite là khoáng chất tự nhiên cứng nhất từng được phát hiện, thậm chí còn cứng hơn cả kim cương.

Tuy nhiên, lonsdaleite chỉ được tìm thấy trong thiên thạch, cho thấy nó cần nhiệt độ và áp suất cao để hình thành.

Trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã có bước tiến lớn trong việc hoàn thiện phương pháp tổng hợp lonsdaleite, điều này có thể dẫn đến nhiều đột phá khoa học.

Kim cương là khoáng chất cứng nhất trên Trái đất. Nhưng các nhà khoa học cho rằng thiên nhiên còn ẩn chứa nhiều hơn thế.

Kim cương là một dạng thù hình của carbon, nghĩa là nó là một loại carbon tồn tại ở một dạng khác do môi trường của nó (trong trường hợp này là rất nhiều thời gian và áp suất). Than củi và than chì cũng là các dạng thù hình của cacbon.

Tuy nhiên, có một dạng thù hình khác – lần đầu tiên được xác định vào năm 1967 khi các nhà khoa học kiểm tra một thiên thạch ở Canyon Diablo, Arizona – được gọi là lonsdaleite.

Lonsdaleite được phát hiện lần đầu tiên trên một thiên thạch có nghĩa là khoáng chất này không tồn tại tự nhiên trên Trái đất. Đó là vì nó đòi hỏi áp suất địa chất cực lớn hơn để hình thành so với những gì Trái đất có thể cung cấp. Tên gọi “Lonsdaleite” được đặt theo nhà tinh thể học người Anh Dame Kathleen Lonsdale, người tiên phong trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể bằng tia X.

Một nghiên cứu vào năm 2022 đã xác nhận rằng lonsdaleite có khả năng hình thành từ “nén xung kích” và nhiệt độ cao tạo ra trong quá trình thiên thạch va chạm với Trái đất, biến than chì thành loại khoáng chất cực cứng này.

Mặc dù điều này đã dập tắt hy vọng tìm thấy một nguồn lớn, tự nhiên của siêu kim cương này, nhưng nó đã củng cố ý tưởng rằng lonsdaleite có thể được sản xuất nhân tạo.

Hiện tại, một nhóm các nhà nghiên cứu đã cải tiến các phương pháp hiện có để tạo ra lonsdaleite. Trước đây, quá trình sản xuất lonsdaleite tổng hợp thường tạo ra rất nhiều than chì và kim cương, nhưng nghiên cứu mới này tối ưu hóa đáng kể phương pháp sản xuất những viên kim cương tinh thể hình lục giác (hexagonal diamonds – HD) này. Kết quả của nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Materials.

“Với các đặc tính cơ học có khả năng vượt trội và cấu trúc hấp dẫn, lonsdaleite cũng nhận được sự quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ trong khoa học vật liệu”, các tác giả viết, “HD khối gần như tinh khiết đã thu được trong các thí nghiệm được thiết kế tốt bằng cách áp dụng áp suất cao và nhiệt độ cao với độ dốc nhiệt độ”.

Quá trình này đòi hỏi năng lực rất khéo léo để tạo ra áp suất và nhiệt độ trong khi căn chỉnh các lớp than chì sao cho đúng – một quá trình được gọi là xếp chồng Bernal- để giữ cho các lớp không bị trượt.

Mặc dù còn xa mới đến được quy trình ở quy mô công nghiệp, nhưng việc sản xuất lonsdaleite trong phòng thí nghiệm sẽ giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về các điều kiện cần thiết cho quá trình hình thành tự nhiên hiếm có của nó, cũng như những tiến bộ tiềm năng trong các vật liệu kỳ lạ (như siêu dẫn) có thể tận dụng các đặc tính độc đáo của nó.

Do độ cứng vượt trội, lonsdaleite có thể được ứng dụng trong công nghiệp cắt và khoan siêu cứng (thay thế kim cương trong các mũi khoan, lưỡi cắt), vật liệu siêu bền trong công nghệ vũ trụ, cũng như chế tạo công cụ nano và vật liệu siêu cứng thế hệ mới.