Kim cương chưa phải là vật liệu cứng nhất Trái đất

Kim cương có thể nén được thành một thứ còn rắn hơn nó và các nhà khoa học đã biết làm thế nào để có được vật liệu này.

Các nhà vật lý học Mỹ và Thụy Điển đã dùng các phép mô phỏng động lực phân tử chính xác lượng tử trên một siêu máy tính để biết phản ứng của kim cương trong điều kiện áp suất cao, nhiệt độ tăng đến mức bất ổn và họ phát hiện ra các điều kiện để đưa các nguyên tử carbon của kim cương trở thành một cấu trúc đặc biệt chưa từng thấy.

Hình minh họa vật liệu tổng hợp carbon BC8, hay còn gọi là siêu kim cương. (Ảnh: Mark Meamber/LLNL).

Kim cương vốn được coi là vật liệu rắn nhất trên Trái đất, nhưng cấu trúc nói trên, được gọi là pha BC8, còn rắn hơn kim cương 30%. Pha BC8 (BC8 phase) từng được quan sát thấy trong hai vật liệu là silicon và germanium. Áp dụng ngoại suy các đặc tính của BC8 trong hai vật liệu này đã giúp các nhà khoa học xác định pha BC8 sẽ phản ứng ra sao trong carbon.

Pha BC8 không tồn tại trên Trái đất nhưng nó có trong vũ trụ ở môi trường áp suất cao ở các ngoại hành tinh. Theo lý thuyết, đây là dạng carbon cứng nhất có thể duy trì ổn định ở áp suất cao hơn 10 triệu lần áp suất khí quyển Trái đất. Nếu có thể tổng hợp được nó thì chúng ta sẽ có cơ hội nghiên cứu và ứng dụng vật liệu vô cùng giá trị.

Kim cương rất cứng nhờ cấu trúc nguyên tử của nó. Kim cương được sắp xếp theo mạng tứ diện, mỗi nguyên tử carbon bên trong nó liên kết tứ diện với bốn nguyên tử gần nhất, phù hợp với cấu hình tối ưu của các electron ngoài cùng của chính nguyên tử carbon.

Nhà vật lý học Jon Eggert ở Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, Mỹ, cho biết cấu trúc BC8 duy trì hình dạng tứ diện của kim cương nhưng không có các mặt phẳng phân tách như trong cấu trúc kim cương. Pha BC8 của carbon ở điều kiện môi trường xung quanh chúng ta cứng hơn nhiều so với kim cương.

Nhưng mặc dù carbon BC8 có thể tồn tại ở đâu đó xung quanh chúng ta, những nỗ lực để tổng hợp nó trong phòng thí nghiệm cho đến nay vẫn thất bại.

Nhóm nghiên cứu do nhà vật lý học Nguyễn Công Kiên ở Trường đại học Nam Florida, Mỹ, đã cố gắng khai thác sức mạnh của siêu máy tính để mong muốn tìm ra những lỗi khiến họ chưa thể thành công.

ở Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge, Mỹ, hiện là siêu máy tính nhanh nhất thế giới. Nhờ nó, nhóm nghiên cứu đã phát triển phép giả lập tương tác giữa các nguyên tử riêng rẽ trong một phạm vi điều kiện áp suất và nhiệt độ cực cao. Họ đã tái tạo được quá trình tiến hóa của hàng tỷ nguyên tử carbon trong những điều kiện khắc nghiệt.

Kết quả cho thấy nguyên nhân vì sao việc tổng hợp carbon BC8 lại khó đạt được. Nhà vật lý học Olyenik giải thích: "Chúng tôi dự đoán rằng pha BC8 sau kim cương sẽ chỉ có thể đạt được bằng thực nghiệm trong một vùng hẹp với nhiệt độ cao, áp suất cao trên biểu đồ pha carbon".

Nói cách khác, chỉ có một phạm vi nhiệt độ và áp suất cao mà carbon BC8 có thể hình thành, và cho đến nay các thí nghiệm vẫn chưa đáp ứng được những điều kiện đó. Tuy nhiên, giờ đây chúng ta đã biết được những điều kiện đó là gì và với nỗ lực hơn nữa để tạo ra những điều kiện, những môi trường như vậy, chúng ta sẽ tổng hợp được carbon BC8.