Cần bao nhiêu năng lượng để tạo ra một viên kim cương nhân tạo?

Từ một câu hỏi tưởng chừng ngây ngô trên diễn đàn mạng Reddit rằng liệu con người có thể biến đổi gien vi khuẩn để chúng tạo ra kim cương tương tự cách con hàu bồi đắp ngọc trai hay không, giới khoa học đã bóc tách một sự thật trần trụi về mặt vật lý và công nghệ.

Ngọc trai chỉ cần thời gian cùng phản ứng sinh hóa nhẹ nhàng, còn kim cương đòi hỏi một lực nén tàn bạo đến mức suốt gần bốn tỷ năm tiến hóa, không một sinh vật sống nào trên Trái Đất có thể tạo ra công cụ tương đương.

Bản chất của vấn đề bắt đầu từ cấu trúc nguyên tử. Kim cương và ruột bút chì than chì đều được tạo nên từ một nguyên tố duy nhất: carbon. Sự khác biệt chỉ nằm ở cách thức sắp xếp.

Trong kim cương, mỗi nguyên tử carbon liên kết chặt chẽ với bốn nguyên tử khác theo mọi hướng, tạo nên một chiếc lồng ba chiều hàn kín kiên cố và biến nó thành vật liệu tự nhiên cứng nhất.

Ngược lại, ở than chì, mỗi nguyên tử carbon chỉ liên kết với ba nguyên tử xung quanh tạo thành những lớp màng phẳng xếp chồng lỏng lẻo. Khi ta viết, các tấm phẳng này trượt lên nhau và tách rời ra trang giấy.

Nghịch lý nằm ở chỗ, tại điều kiện nhiệt độ phòng, than chì mới là dạng tồn tại bền vững hơn với mức năng lượng tự do Gibbs thấp hơn kim cương khoảng 3 kilojoule trên mỗi mol. Tuy nhiên, viên kim cương trên tay bạn không bao giờ tự phân rã thành vụn bút chì, bởi vì muốn phá vỡ các liên kết carbon trong chiếc lồng kiên cố đó cần một nguồn năng lượng khổng lồ lên tới 356 kilojoule trên mỗi mol.

Trạng thái này được các nhà khoa học gọi là giả bền. Chỉ khi chịu một lực nén khủng khiếp ở mức 5 đến 6 gigapascal - tương đương khoảng 50.000 lần áp suất khí quyển - kết hợp cùng nhiệt độ từ 1.300 đến 1.600 độ C, carbon mới đảo ngược xu hướng để ưu tiên kết tinh thành kim cương.

Trong tự nhiên, quá trình này diễn ra ở độ sâu từ 150 đến 190 kilomet bên dưới lòng đất, và các mạch phun trào núi lửa kimberlite phải phóng ngược lên bề mặt với tốc độ cực nhanh để kim cương không kịp thoái hóa ngược thành than chì. Tái lập kỳ tích địa chất đó trong phòng thí nghiệm hiện nay có hai ngả đường hoàn toàn đối lập: phương pháp ép áp suất cao, nhiệt độ cao (HPHT) và phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD).

Phương pháp HPHT là hiện thân của sức mạnh cơ học thuần túy. Những cỗ máy ép khổng lồ có kích cỡ ngang ngửa một chiếc xe tải sẽ nén buồng chứa than chì cùng chất xúc tác kim loại nóng chảy như sắt, niken hoặc coban. Kim loại lỏng hòa tan than chì, đưa các nguyên tử carbon kết tinh dần lên mầm kim cương trong nhiều ngày.

Ngược lại, phương pháp CVD chọn lối đi thông minh hơn bằng việc thao túng hóa học ở áp suất khí quyển thông thường. Một nguồn phát vi sóng biến khí mê-tan và hydro thành ngọn lửa plasma ở nhiệt độ từ 900 đến 1.200 độ C.

Tại đây, các nguyên tử hydro đóng vai trò người dọn dẹp, liên tục bắn phá và loại bỏ các liên kết than chì vừa manh nha, chỉ cho phép cấu trúc lồng của kim cương bồi đắp từng lớp nguyên tử với tốc độ vỏn vẹn 1 đến 10 micromet mỗi giờ.

Thế nhưng, bức màn bí ẩn lớn nhất nằm ở lượng điện năng tiêu thụ thực tế trên mỗi carat thành phẩm. Các số liệu đo đạc thực tế chỉ ra rằng một máy ép HPHT hiện đại trang bị mạch làm mát bằng nước hở chỉ tiêu tốn khoảng 36 kilowatt giờ điện cho một carat kim cương, thấp hơn rất nhiều so với mức 96 đến 150 kilowatt giờ của các mỏ khai thác tự nhiên.

Ngay cả khi bổ sung hệ thống làm lạnh khép kín khiến mức tiêu thụ tăng gấp đôi lên khoảng 72 kilowatt giờ, con số này vẫn vô cùng cạnh tranh.

Ở chiều ngược lại, phương pháp lắng đọng khí plasma CVD lại tạo ra sự chênh lệch đáng kinh ngạc. Trong khi các lò thương mại tối tân đạt mức tiêu thụ từ 28 kilowatt giờ (như hãng Apollo Diamond) đến 77 kilowatt giờ cho mỗi carat, thì lò phản ứng nghiên cứu quy mô nhỏ lại ngốn tới hơn 200 kilowatt giờ.

Đáng chú ý, gần một nửa tổng lượng điện năng khổng lồ của lò CVD không hề dùng để chế tác tinh thể, mà bị tiêu hao hoàn toàn vào hệ thống máy làm lạnh.

Khi đặt hai cỗ máy lên bàn cân cơ học, máy ép HPHT chỉ cần công suất trung bình khoảng 5 kilowatt trong suốt chu kỳ và thu hoạch khoảng 40 carat sau 12 ngày.

Trong khi đó, lò phản ứng CVD tiêu thụ liên tục 8,8 kilowatt suốt một tháng ròng nhưng chỉ đem lại sản lượng vỏn vẹn khoảng 30 carat. Cỗ máy ép cơ học tưởng chừng thô kệch lại giành thắng lợi áp đảo khi tiêu thụ ít điện hơn mà sản lượng mỗi ngày cao gấp ba lần cỗ máy plasma tân tiến.

Như vậy, giấc mộng dùng vi khuẩn hay công nghệ sinh học để nuôi cấy kim cương hoàn toàn bất khả thi trước giới hạn thép của quy luật tự nhiên.

Tại Mỹ, dù 97% lượng kim cương phục vụ công nghiệp với quy mô 160 triệu carat mỗi năm đều là sản phẩm nhân tạo, chúng thực chất chỉ là dạng bụi mạt mài mòn sinh ra từ những cỗ máy ép cơ học đồ sộ.

Những cỗ máy này đã âm thầm đánh bại lớp manti dày hàng trăm kilomet của Trái Đất trong cuộc chiến năng lượng và vật liệu đỉnh cao.