Kim cương sắp mất danh hiệu "vật liệu cứng nhất hành tinh" vào tay những "đối thủ" này

Kim cương chỉ có độ cứng tuyệt đối ở nhiệt độ phòng vì chỉ cần nung nóng nó lên đến 800 độ C thì tính chất hóa học của nó thay đổi hoàn toàn và độ cứng cũng biến mất.

Nếu được hỏi đâu là vật liệu cứng nhất hành tinh, rất nhiều người sẽ trả lời rằng: kim cương. Với giá trị cao cùng độ cứng khủng khiếp có thể cắt được thủy tinh, kim cương trở thành một cột mốc mà các nhà khoa học luôn cố gắng vượt qua bằng cách tìm kiếm những vật liệu có độ cứng tương đương và rẻ hơn.

Hiện nay, kim cương vẫn là vật liệu cứng nhất thế giới, nhưng liệu danh hiệu này còn có thể giữ được?

Thực tế, đa phần những ai đã học qua chương trình Hóa học phổ thông đều biết rằng kim cương là một dạng thù hình của nguyên tố Carbon dưới dạng tinh thể tứ diện cực kỳ chắc chắn. Chính điều này đã tạo ra độ cứng vô song của nó. Nếu sử dụng đơn vị đo module độ cứng, các loại thép thông thường có độ cứng trung bình khoảng 80 GPa còn kim cương có độ cứng lên tới 478 GPa.

Mặc dù vậy, kim cương chỉ có độ cứng tuyệt đối ở nhiệt độ phòng vì chỉ cần nung nóng nó lên đến 800 độ C thì tính chất hóa học của nó thay đổi hoàn toàn và độ cứng cũng biến mất. Chính vì thế, việc tìm ra một vật liệu có độ cứng tương tự kim cương và bền bỉ với những tác động bên ngoài như nhiệt độ hoặc hóa tính của môi trường là một trong những mục tiêu hàng đầu của công nghệ vật liệu hiện này. Dưới đây là những cái tên có thể "soán ngôi" của kim cương tự nhiên hiện nay.

Boron Nitride

Boron Nitride được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp ô tô và chế tạo tàu vũ trụ.

Được sản xuất lần đầu vào năm 1957, Boron Nitride (BN) với dạng thù hình tinh thể tứ diện giống như kim cương có độ cứng lên tới 400 GPa. Khác với các nguyên tử Carbon liên kết với nhau, cấu trúc của Boron Nitride tinh thể tứ diện sở hữu những đầu mạch là các phân tử BN cực bền dưới tác dụng của nhiệt độ. Chính vì thế, BN được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp ô tô và chế tạo tàu vũ trụ. Thực tế, BN còn có một dạng thù hình khác là cấu trúc tinh thể lục giác (w-BN) về lý thuyết có độ cứng hơn kim cương khoảng 18% nhưng nó rất hiếm trong tự nhiên vì chỉ xuất hiện trong các vụ phun trào núi lửa và việc sản xuất cũng đòi hỏi những yêu cầu kỹ thuật cực kỳ khó khăn.

Kim cương nhân tạo

Kim cương nhân tạo thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp kỹ thuật quang học, các chip điện tử cao cấp.

Sau khi phát hiện kim cương chính là một dạng thù hình của Carbon, giới khoa học đã bỏ rất nhiều công sức nghiên cứu cách tạo ra viên kim cương bằng những thứ có sẵn. Mặc dù vậy phải đến tận năm 1953, thế giới mới có thể chứng kiến những viên kim cương do con người và máy móc làm ra với giá thành chỉ bằng khoảng 1 nửa kim cương tự nhiên nhưng có độ cứng gần như là tương đương. Thậm chí, một số mẫu thử nghiệm trong giai đoạn 1970 có độ cứng vượt trội lên tới 600 GPa. Kim cương nhân tạo thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp kỹ thuật quang học, các chip điện tử cao cấp.

Kim cương nhân tạo được tổng hợp theo 2 phương pháp chính là phương pháp cao áp cao nhiệt HPHT (High pressure High temperature) sử dụng nhiệt độ và áp suất cực kỳ cao nhằm tái tạo môi trường giống như môi trường tái tạo kim cương trong lòng đất và phương pháp bốc hơi lắng tụ hóa học CVD (Chemical Vapor Deposition) sử dụng sự bốc hơi hóa học của hợp chất khí Carbon dưới tác động của tia nhiệt plasma tạo sự phân chia phân tử khí cho đến khi chỉ còn lại nguyên tử C lắng tụ và phát triển trên mầm kim cương có sẵn.

Q-carbon

Mới đây, các nhà khoa học tại đại học bang North Carolina đã tìm ra một dạng thù hình mới của nguyên tố carbon với độ cứng vượt trội so với kim cương, cao hơn khoảng 60%. Một điều thú vị khác là Q-carbon có thể biến thành kim cương nếu có những tác động thích hợp dưới điều kiện nhiệt độ phòng thông thường.

Q-carbon có thể biến thành kim cương nếu có những tác động thích hợp.

Để tạo ra Q-carbon, các nhà khoa học đã sử dụng một lớp carbon vô định hình bóc ngoài một vật liệu nền có thể là đá sapphire, thủy tinh hoặc nhựa. Sau đó, họ chiếu một xung laser vào đó trong khoảng thời gian 200 nano giây, nung nóng mẫu vật này lên tới nhiệt độ khoảng 3726 độ C và ngay lập tức được làm mát để tạo ra những tinh thể Q-carbon lấp lánh như những viên kim cương.

Q-carbon sẽ là nhân tố chính sản xuất ra những loại màn hình điện tử hoàn toàn mới trong tương lai.

Nếu phương pháp này được hoàn thiện hơn và đưa vào sử dụng rộng rãi thì Q-carbon có thể tở thành một vật liệu phi thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp công nghệ cao. Đặc biệt với tính chất nhạy bén với từ trường và ánh sáng, Q-carbon sẽ là nhân tố chính sản xuất ra những loại màn hình điện tử hoàn toàn mới trong tương lai. Bên cạnh đó, vẻ đẹp lấp lánh của Q-carbon rất có thể sẽ khiến kim cương giảm dần giá trị của mình.