Phát minh của Trung Quốc làm rung chuyển ngành kim cương: Tạo ra loại đá quý bền gấp 6 lần thông thường, vượt trội so với kim cương tự nhiên

Thành tựu được đăng trên tạp chí khoa học bình duyệt Nature Synthesis, mở ra triển vọng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ gia công công nghiệp, khoan địa chất đến hàng không vũ trụ.

Kim cương từ lâu được biết đến là vật liệu tự nhiên cứng nhất trên Trái Đất. Tuy nhiên, dù có khả năng chống trầy xước vượt trội, kim cương vẫn khá giòn. Chỉ một lực tác động đúng hướng cũng có thể khiến nó nứt hoặc vỡ giống như thủy tinh.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu trên thế giới tìm cách tăng độ bền của kim cương mà không làm giảm độ cứng. Song, việc cải thiện một đặc tính thường đồng nghĩa phải đánh đổi đặc tính còn lại.

Nhóm nghiên cứu đến từ Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Đại học Hàng không Vũ trụ Bắc Kinh cho biết đã tìm ra hướng tiếp cận mới, giúp tăng độ dai va đập của kim cương lên gấp 5-6 lần nhưng vẫn giữ nguyên độ cứng vốn có.

Nghiên cứu được thực hiện với sự hỗ trợ của Cơ sở nghiên cứu điều kiện cực hạn Huairou (Bắc Kinh), nơi cho phép các nhà khoa học thử nghiệm vật liệu dưới nhiệt độ, áp suất và môi trường khắc nghiệt để phát triển các thế hệ vật liệu hiệu năng cao mới.

Theo công bố, vật liệu mới thậm chí có khả năng chống nứt tốt hơn cả nhiều hợp kim vonfram vốn được sử dụng trong các loại đạn xuyên giáp và các ứng dụng chịu tải trọng cực lớn.

Bí quyết nằm ở việc đưa các ống nano carbon đa thành (Multi-Walled Carbon Nanotubes - MWCNT) vào bên trong cấu trúc kim cương.

Đây là những "sợi cáp" carbon siêu nhỏ, có đường kính chỉ bằng khoảng 1/10.000 sợi tóc người nhưng sở hữu độ bền kéo cao gấp hàng chục lần thép.

Trước đây, nhiều nhóm nghiên cứu từng thử kết hợp ống nano carbon với kim loại hoặc gốm kỹ thuật nhưng hiệu quả không cao do các vật liệu chỉ liên kết cơ học lỏng lẻo, không truyền được lực khi chịu tải.

Lần này, các nhà khoa học Trung Quốc lựa chọn cách tiếp cận khác. Trước tiên, họ trộn đều bột kim cương siêu mịn với các ống nano carbon, sau đó đưa hỗn hợp vào môi trường có điều kiện cực hạn với nhiệt độ khoảng 2.000 độ C và áp suất lên tới 15 gigapascal, tương đương khoảng 150.000 lần áp suất khí quyển.

Mức áp suất này được tính toán rất chính xác. Nếu quá cao, các ống nano carbon sẽ biến đổi thành kim cương; ngược lại nếu quá thấp, bột carbon có thể chuyển thành than chì, làm giảm chất lượng vật liệu.

Kết quả thu được là các ống nano vẫn giữ nguyên cấu trúc dạng sợi, đồng thời hình thành các liên kết hóa học bền vững với tinh thể kim cương ở cấp độ nguyên tử.

Theo nhóm nghiên cứu, mạng lưới này hoạt động giống như cốt thép trong bê tông cốt thép. Các ống nano carbon tạo thành hệ thống gia cường ba chiều, liên kết các hạt kim cương với nhau và phân tán ứng suất khi vật liệu chịu lực.

Các phép thử trong phòng thí nghiệm cho thấy vật liệu mới đạt độ cứng khoảng 91,6 gigapascal (GPa), tương đương kim cương đơn tinh thể thông thường. Trong khi đó, độ dai phá hủy đạt tới 36,4 MPa√m, cao gấp 5-6 lần kim cương truyền thống và vượt nhiều hợp kim vonfram hiện nay.

Để tìm hiểu cơ chế hoạt động, nhóm nghiên cứu sử dụng kính hiển vi điện tử quan sát quá trình hình thành và lan truyền các vết nứt.

Ở kim cương thông thường, các vết nứt phát triển gần như theo đường thẳng, khiến vật liệu nhanh chóng bị phá hủy giống như khi kính vỡ.

Trong vật liệu mới, các ống nano carbon đóng vai trò như vô số sợi dây neo. Chúng kéo, bẻ hướng và phân tán các vết nứt theo nhiều chiều khác nhau, hấp thụ phần lớn năng lượng va đập trước khi vết nứt có thể lan rộng.

Nhờ cơ chế này, vật liệu có khả năng chống nứt vượt trội mà vẫn duy trì được độ cứng đặc trưng của kim cương.

Theo các nhà khoa học, vật liệu mới có tiềm năng ứng dụng rất rộng. Trong công nghiệp, nó có thể được dùng để chế tạo dao cắt siêu cứng gia công kim loại và gốm kỹ thuật, đầu khoan địa chất làm việc trong môi trường khắc nghiệt hoặc các linh kiện chịu mài mòn cao.

Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, loại vật liệu này cũng được kỳ vọng có thể xuất hiện trong các chi tiết yêu cầu vừa siêu cứng vừa chịu va đập mạnh.

Theo SCMP