Chế tạo thành công thủy tinh kim cương siêu cứng bằng cách nén một "quả bóng đá carbon"

Các nhà nghiên cứu công tác tại Viện khoa học Carnegie vừa phát triển thành công thủy tinh kim cương siêu cứng, chế tạo từ một cấu trúc nguyên tử carbon mang hình “quả bóng đá”. Vật liệu mới có khả năng dẫn nhiệt tốt, và có thể ứng dụng được trong sản xuất đồ điện tử.

Carbon là vật chất linh hoạt, có thể tạo thành nhiều cấu trúc thông qua các sắp xếp nguyên tử khác nhau; carbon vừa có thể tạo nên than chì (graphite), vừa là thành phần của kim cương hay thậm chí, làm nên cả siêu vật chất graphene. Mẫu hình lặp lại của kim cương có thể tạo nên kiến trúc nhiều chiều, mang lại khả năng cứng cáp của vật chất.

Tuy vậy, có một số cấu trúc carbon khó chế tạo hơn những dạng khác, đơn cử như thủy tinh kim cương.

Quá trình chế tạo tinh thể kim cương: ép than chì (graphite). Quá trình chế tạo thủy tinh kim cương: ép fullerene.

“Việc tổng hợp vật liệu carbon vô định hình với các liên kết ba chiều là mục tiêu được giới khoa học đặt ra từ lâu”, tác giả nghiên cứu mới, ông Yingwei Fei nhận định. “Chủ yếu là phải tìm được vật liệu ban đầu hợp lý, để nó có thể biến hình đúng yêu cầu khi xuất hiện áp lực”.

Khi tăng áp lực lên graphite, chúng ta sẽ khiến nó cứng lại thành tinh thể, từ đó ta có kim cương. Ta đã từng nghĩ tới việc sử dụng kim cương làm thủy tinh kim cương, nhưng sự thật không đơn giản vậy. Nhiệt độ nóng chảy của kim cương là 4.227 độ C, quá cao để ứng dụng vật liệu một cách linh hoạt. Nhóm nghiên cứu cần một cấu trúc carbon hỗn loạn hơn để dễ bề điều chỉnh.

Nhóm xác định sẽ sử dụng cấu trúc gồm 60 phân tử carbon xếp thành dạng một quả bóng đá rỗng, được đặt tên “fullerene” để thực hiện thí nghiệm. Nhóm làm nóng “quả bóng” để hình dáng của nó trở nên mất trật tự, rồi sử dụng máy ép đưa áp lực lớn vào cấu trúc. Kết quả: họ tạo ra một loại thủy tinh cứng như kim cương, với quá trình sản xuất sẽ cho ra hàng loạt những tinh thể kim cương có kích cỡ vài milimet.

Cấu trúc fullerene.

Quan sát kỹ cấu trúc, nhóm nghiên cứu thấy loại thủy tinh mới có độ cứng khoảng 102 GigaPascal (GPa), cao hơn kim cương tự nhiên nhưng vẫn chưa bằng AM-III, một loại thủy tinh nhân tạo gốc Hoa với độ cứng chạm ngưỡng 113 GPa.

Nhóm nghiên cứu đồng thời khẳng định thủy tinh siêu cứng có khả năng dẫn nhiệt tốt hơn bất cứ vật liệu vô định hình nào. Quan trọng hơn, các nhà khoa học có thể tổng hợp chúng trong môi trường nhiệt độ từ 900-1.000 độ C, mức nhiệt mà các dây chuyền công nghiệp có thể đạt được.

“Việc tạo thành thủy tinh với các đặc tính siêu việt sẽ mở ra cánh cửa mới cho các ứng dụng tương lai”, ông Fei nhận định. Nhà nghiên cứu cho rằng các dây chuyền sản xuất thủy tinh kim cương siêu cứng sẽ sớm đạt quy mô lớn.

Nghiên cứu đã được đăng tải trên tạp chí Nature.