Đã tìm ra vật liệu cứng hơn kim cương

Q-carbon, một hợp chất được tạo ra trong phòng thí nghiệm có độ cứng cao hơn kim cương. Ảnh: substance-en.etsmtl.ca

Ở lõi hành tinh của chúng ta, khối lượng hàng tỷ tấn đá chèn từ trên xuống tạo ra lực mạnh gấp ba triệu lần áp suất khí quyển trên bề mặt Trái Đất. Tuy nhiên, tại phòng thí nghiệm ở Bắc Bavaria (Đức), nhà vật lý Natalia Dubrovinskaia đã tạo ra lực ép mạnh gấp ba lần lực trong lõi Trái Đất.

Nhà vật lý Dubrovinskaia và các đồng nghiệp đã tìm ra một loại siêu vật liệu có khả năng chịu đựng lực ép cực lớn. Vật liệu mới cứng đến mức có thể làm mẻ kim cương - vật liệu vốn được coi là cứng nhất thế giới từ trước đến nay.

Vật chất mới là kết quả sau nhiều thập niên nghiên cứu của "thuật giả kim hiện đại", theo đó các nhà khoa học đã tinh chỉnh và làm thay đổi cấu trúc của các nguyên tố hóa học nhằm làm thay đổi tính chất của các nguyên tố đó.

Được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1957 và được đặt tên là khối boron nitride, ban đầu chất này được biết có độ cứng có thể làm trầy xước kim cương, song hy vọng này ngay sau đó đã tan vỡ khi các thí nghiệm cho thấy độ cứng của nó chỉ chưa bằng một nửa kim cương.

Trải qua nhiều thập niên, cho tới năm 2015, nhà khoa học Jagdish Narayan và các cộng sự thuộc trường Đại học Bắc Carolina (Mỹ) công bố bước đột phá khi họ đã làm tan chảy một cấu trúc carbon phi tinh thể, được biết đến với tên gọi carbon kính (glassy-carbon), bằng cách dùng xung bức xạ laser nhanh đốt nóng chất đó lên đến 3.700 độ C sau đó làm lạnh thật nhanh.

Quá trình làm lạnh này đã tạo ra chất có tên gọi là Q-carbon. Chất Q-carbon được tạo ra là một dạng cấu trúc carbon không định hình, lạ thường nhưng cực kỳ cứng chắc. Khác với các cấu trúc carbon khác, chất này có từ tính và phát sáng khi tiếp xúc với nguồn sáng.

Cấu trúc của vật liệu này chủ yếu được tạo ra từ liên kết giống kim cương nhưng cũng có khoảng 10-15% độ giống với liên kết than chì. Thử nghiệm của nhóm nghiên cứu cho thấy Q-carbon cứng hơn ít nhất là 60% so với kim cương.

Tuy nhiên, theo Narayan, để thử nghiệm độ cứng của một mẫu vật, ta cần phải có một thứ rắn hơn mẫu vật đó. Khi cố gắng nghiền nát một mẫu Q-carbon bằng cách dùng hai mũi nhọn kim cương mài sắc kẹp lại thì là lúc phát sinh vấn đề.

"Mũi kim cương biến dạng trong quá trình đo độ cứng của Q-carbon. Và đây là lúc chiếc "đe siêu cứng" của nhà vật lý Dubrovinskaia ra đời. Vật liệu mới của bà là một dạng độc nhất vô nhị của carbon, được biết đến với tên gọi là các khối cầu kim cương nanocrystalline (nanocrystalline diamond balls).

Thay vì được tạo ra từ một lưới tinh thể từ các nguyên tử carbon đơn lẻ như đá quý mà chúng ta vẫn dùng để chế tác đồ trang sức, chất này được tạo ra từ rất nhiều tinh thể siêu nhỏ, mỗi tinh thể nhỏ hơn 11.000 lần so với tiết diện một sợi tóc người.

Một mẫu tinh thể "đe kim cương" có được khi bị nghiền ra trong khoang áp suất. Những tinh thể này liên kết với nhau bởi một lớp graphene (tấm carbon lục giác tuần hoàn). Chất liệu kỳ diệu này được tạo thành từ một lớp carbon có độ dày chỉ bằng một nguyên tử.

Trong khi tinh thể kim cương bắt đầu không chịu được áp lực 120 Giga Pascals (GPa), thì vật liệu mới có thể chịu được ít nhất 460 GPa. Nó thậm chí có thể chịu được khi tổng lực ép tạo ra áp lực đến 1.000GPa. Điều này khiến khối cầu nhỏ xíu này cứng hơn bất cứ loại vật liệu nào từng được biết đến trên hành tinh này./.