Trung Quốc tạo ra kim cương lục giác từ thiên thạch

Viên kim cương cấu trúc lục giác đầu tiên được phát hiện vào năm 1967 bên trong thiên thạch Canyon Diablo, từng rơi xuống bang Arizona (Mỹ) 49.000 năm trước. Người ta tin rằng nó hình thành từ than chì dưới sức nóng và áp suất cực lớn do vụ va chạm với Trái đất tạo ra.

Dù tất cả kim cương đều được cấu tạo từ các nguyên tử carbon, nhưng chúng không chỉ tồn tại ở dạng cấu trúc lập phương quen thuộc. Trong nhiều năm, các nhóm nghiên cứu trên thế giới đã cố gắng tái tạo loại kim cương cấu trúc lục giác với sự sắp xếp nguyên tử đặc trưng.

Cấu trúc lập phương của các nguyên tử carbon trong kim cương thông thường (trái) so với sự sắp xếp lục giác của biến thể được tìm thấy trong thiên thạch Canyon Diablo - Ảnh: Handout

Trong một bài báo trên tạp chí khoa học Nature, nhóm nghiên cứu kết hợp chuyên môn từ Trung tâm Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Áp suất cao cùng Viện Quang học và Cơ học chính xác Tây An thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc mô tả chi tiết cách họ tạo ra được các tinh thể kim cương lục giác tinh khiết cao, kích thước 100 micromet, cung cấp bằng chứng xác thực về sự tồn tại của vật liệu này ở cấp độ vĩ mô.

Bắn kim cương bằng chùm tia ni tơ để tạo loại tinh thể thời gian mới

Dùng kim cương chế tạo máy tính lượng tử

Theo tác giả liên hệ của bài báo - ông Luo Duan, dù các nhóm khác trên thế giới từng tuyên bố đã tổng hợp được vật liệu này, nhưng những nỗ lực trước đây thường chỉ tạo ra kim cương lập phương hoặc mẫu pha trộn, chứ chưa đạt được cấu trúc lục giác tinh khiết.

Luo Duan, giáo sư tại Viện Quang học và Cơ học chính xác Tây An ở tỉnh Thiểm Tây, cho biết những viên kim cương lục giác do các nhóm khác tạo ra chỉ ở quy mô nano, nhỏ hơn kết quả của nhóm nghiên cứu Trung Quốc này hàng nghìn lần.

“Chúng thường tồn tại dưới dạng sản phẩm của quá trình tổng hợp do va chạm hoặc dưới dạng hạt cực nhỏ, chưa từng được tạo ra trong các mẫu vật đủ lớn phù hợp để kiểm tra độ bền và các tính chất vật liệu”, ông nói.

Luo Duan bổ sung rằng sáng tạo của nhóm nghiên cứu có tiềm năng phát triển một công nghệ hoặc sản phẩm mới, sau đó đăng ký bằng sáng chế ở nhiều quốc gia trên thế giới. Việc đó sẽ ngăn cản các công ty hoặc cá nhân khác sao chép, sản xuất, sử dụng hoặc bán công nghệ đó mà không có sự cho phép của chủ sở hữu bằng sáng chế, đặt nền tảng vững chắc cho việc chuyển giao và thương mại hóa nó sau này.

Cấu trúc lục giác được kỳ vọng sẽ có độ cứng và đặc tính dẫn nhiệt vượt trội, với các ứng dụng tiềm năng trong sản xuất dụng cụ cắt, vật liệu mài siêu cứng, thiết bị điện tử hiệu suất cao, công nghệ lượng tử và những thiết bị tản nhiệt hiệu suất cao.

Theo Luo Duan, kim cương lục giác là một biến thể cấu trúc của kim cương lập phương với cùng các đặc tính cơ học, nhiệt và quang học, thậm chí vượt trội hơn ở một số khía cạnh.

Tác giả chính của bài báo, ông Yang Liuxiang từ Trung tâm Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Áp suất cao, nói với hãng thông tấn Tân Hoa Xã rằng thành tựu nêu trên đạt được nhờ hai yếu tố.

“Thứ nhất, việc lựa chọn các tinh thể than chì tự nhiên tinh khiết tuyệt đối, không tạp chất làm nguyên liệu đã tạo điều kiện hình thành các mẫu kim cương lục giác có cấu trúc trật tự cao (sắp xếp nguyên tử rất chuẩn - PV) và kích thước micromet.

Thứ hai, nhóm sử dụng phương pháp giám sát trực tiếp, nén dần các tinh thể than chì trong khi theo dõi sự thay đổi cấu trúc bằng hình ảnh X-quang theo thời gian thực. Cách này ngăn ngừa khiếm khuyết và tạo ra các khối kim cương lục giác tinh khiết, hoàn chỉnh”, Yang Liuxiang nói.

Trong một báo cáo riêng trên trang web của mình, Viện Quang học và Cơ học chính xác Tây An cho biết thí nghiệm đã xác nhận kim cương lục giác là “vật liệu hoàn toàn độc lập, giải quyết hơn 60 năm tranh luận về cấu trúc và cơ chế hình thành của nó”.

Theo dữ liệu về hiệu suất, vật liệu đó có độ cứng sánh ngang với kim cương tự nhiên cao cấp (đạt 110 gigapascal), đồng thời thể hiện khả năng chịu nén và chống va đập vượt trội. Nó đạt độ dẫn nhiệt gấp 5 lần đồng, vẫn duy trì ổn định cấu trúc ở nhiệt độ 1.100°C, cao hơn nhiều so với các vật liệu làm mát bán dẫn thông thường.

Điểm tính ưu việt của kim cương lục giác

Nghiên cứu cũng lưu ý rằng cấu trúc của vật liệu này có thể mang lại các đặc tính áp điện và sắt điện, một ngày nào đó có thể cung cấp năng lượng cho các cảm biến lượng tử và các thiết bị tần số cao.

Áp điện là vật liệu tạo ra điện khi chịu biến dạng cơ học. Sắt điện là vật liệu có phân cực điện tự nhiên, có thể đảo ngược khi áp dụng điện trường bên ngoài.

Ông Luo Duan cho biết các mẫu mà nhóm này tổng hợp “đã đáp ứng tiêu chuẩn sản xuất công nghiệp cho vật liệu siêu cắt và chống mài mòn”.

Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tạo ra những mẫu lớn hơn, chất lượng cao hơn cho những ứng dụng thực tiễn. Để đạt mục tiêu này, nhóm nghiên cứu cần tối ưu hóa điều kiện tổng hợp và nghiên cứu kỹ thuật nano tinh thể cùng các yếu tố khác, theo Luo Duan.

Tác giả đồng nghiên cứu, ông Mao Ho-kwang từ Trung tâm Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Áp suất cao, cho biết loại kim cương lục giác nêu trên được kỳ vọng sẽ mở ra những hướng đi mới trong phát triển vật liệu siêu cứng và thiết bị điện tử tiên tiến.

“Điều đặc biệt phấn khích là đây mới chỉ là khởi đầu. Kim cương lục giác được dự đoán sở hữu nhiều đặc tính cơ học, điện, nhiệt và quang học cực kỳ ưu việt, vừa sánh ngang vừa bổ sung cho kim cương lập phương”, Mao Ho-kwang nói.

Sơn Vân