Kim cương có “đối thủ” mới

Các nhà khoa học Trung Quốc đã tạo ra một loại tinh thể siêu cứng không có "gót chân Achilles" – tức là loại kim cương không thể bị phá vỡ, ngay cả khi bị búa đập mạnh.

Mặc dù kim cương là vật liệu tự nhiên cứng nhất trên Trái Đất nhưng nó lại có một điểm yếu lớn: tính giòn giống như thủy tinh, khiến nó có thể vỡ vụn khi chịu một cú va đập mạnh. Trong nhiều năm qua, các nhà khoa học đã nỗ lực tìm cách tăng độ bền cho kim cương mà không làm mất đi độ cứng vốn đã nổi tiếng của nó.

Thông thường, việc tăng cường đặc tính này đồng nghĩa với việc phải hy sinh đặc tính kia – một sự đánh đổi được coi là hợp lý đối với hầu hết các ứng dụng, bao gồm cả các mục đích công nghiệp như chế tạo dụng cụ cắt và đánh bóng.

Nhóm nghiên cứu của Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Đại học Hàng không Vũ trụ Bắc Kinh đã tìm ra giải pháp khắc phục hạn chế này bằng cách tạo ra một cấu trúc hỗ trợ bên trong giúp tăng độ dai của kim cương lên gấp 6 lần mà không làm thay đổi độ cứng của nó.

Loại vật liệu đột phá này thậm chí còn có độ dai cao hơn cả các hợp kim vonfram được sử dụng trong đạn xuyên giáp. 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 độ dày sợi tóc người, nhưng lại có độ bền cao gấp hàng chục lần so với thép.

Bí mật bên trong tinh thể siêu cứng

Trước đây, nhiều nhóm nghiên cứu từng thử kết hợp ống nano carbon với gốm và kim loại 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 nghiên cứu Trung Quốc đã áp dụng một phương pháp 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 thông thường.

Mức áp suất này được tính toán rất kỹ lưỡng. 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, các ống nano đóng vai trò như cốt thép trong bê tông cốt thép, tạo thành một mạng lưới 3D liên tục đan xen giữa các hạt kim cương – vốn cũng đang liên kết trực tiếp với nhau.

Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy vật liệu mới này có độ cứng khoảng 91,6 gigapascal (GPa) – tương đương với kim cương đơn tinh thể thông thường, và độ dai đạt tới 36,4 MPa.m1/2 - cao gấp 5-6 lần kim cương truyền thống và vượt nhiều hợp kim vonfram hiện nay.

Các nhà khoa học đã sử dụng kính hiển vi điện tử để quan sát cách các vết nứt lan rộng bên trong vật liệu khi nó bị kéo giãn. Ở kim cương thông thường, các vết nứt sẽ xuyên thẳng qua vật liệu theo kiểu giòn gãy, giống như khi thủy tinh bị vỡ.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng trong vật liệu mới siêu cứng này, các ống nano đã làm chệch hướng và thay đổi đường đi của vết nứt. Vô số "sợi dây" ống nano đã 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 này có phạm vi ứng dụng vô cùng rộng rãi, từ các công cụ cắt siêu cứng dùng trong gia công kim loại và gốm sứ cho đến mũi khoan địa chất và các linh kiện hàng không vũ trụ.