Tổng hợp thành công kim cương lục giác hiếm nhất thế giới

Bước đột phá trong nghiên cứu kim cương

Kim cương thông thường, thường thấy trong nhẫn cưới, có cấu trúc tinh thể dạng khối lập phương (cubic diamond) và được coi là vật chất cứng nhất thế giới. Trong khi đó, kim cương lục giác, còn gọi là lonsdaleite, có cấu trúc nguyên tử 6 cạnh.

Trước đây, loại vật liệu này chỉ được tìm thấy với lượng cực nhỏ tại các điểm va chạm thiên thạch, khiến giới khoa học tranh luận liệu nó có thực sự là một dạng vật chất riêng biệt hay chỉ là kim cương lập phương bị biến dạng.

Trong kim cương lập phương, các liên kết carbon giữa các lớp yếu hơn một chút so với liên kết trong lớp, giới hạn độ cứng tổng thể. Ngược lại, kim cương lục giác có liên kết ngắn hơn và mạnh hơn giữa các lớp, dẫn đến dự đoán rằng nó có thể cứng hơn tới 50% so với kim cương thông thường.

Quy trình tổng hợp dưới điều kiện cực hạn

Nghiên cứu do nhà vật lý Chongxin Shan thuộc Đại học Trịnh Châu dẫn đầu đã sử dụng phương pháp HPHT (High-Pressure, High-Temperature).

Nhóm nghiên cứu nén graphite giữa các đe tungsten carbide ở mức áp suất 20 gigapascal (tương đương khoảng 200.000 lần áp suất khí quyển Trái Đất) và nung nóng tới khoảng 1.927 độ C. Kết quả là cấu trúc lục giác được hình thành thành công.

Ông Shan cho biết, vật liệu này có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như chế tạo dụng cụ cắt, vật liệu quản lý nhiệt và công nghệ quantum sensing.

Kiểm chứng và kết quả bất ngờ

Các tinh thể được tạo ra có kích thước khoảng 1mm. Để xác nhận độ tinh khiết, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X và kính hiển vi ở cấp độ nguyên tử.

Kết quả cho thấy kim cương lục giác cứng hơn và chống oxy hóa tốt hơn kim cương truyền thống. Tuy nhiên, độ cứng chỉ nhỉnh hơn một chút, không đạt mức 50% như dự đoán ban đầu. Điều này cho thấy giới hạn lý thuyết về độ cứng của carbon cần được xem xét lại.

Ý nghĩa công nghiệp và khoa học

Khả năng tạo ra kim cương lục giác “phase-pure” mở ra cơ hội ứng dụng trong công nghiệp tiên tiến. Với độ cứng và khả năng chịu nhiệt cao hơn, vật liệu này có thể thay thế kim cương lập phương trong các lĩnh vực như gia công cơ khí, khoan sâu lòng đất và sản xuất chính xác.

Phát hiện này còn mang ý nghĩa quan trọng đối với địa chất học. Việc hiểu rõ cách kim cương lục giác hình thành dưới điều kiện cực hạn giúp các nhà khoa học tái dựng lịch sử va chạm thiên thạch trên Trái Đất và các hành tinh khác.

Dù trước đây từng có nhiều hoài nghi về sự tồn tại của loại vật liệu này, thành công của nhóm nghiên cứu Trung Quốc với tinh thể kích thước mm và cấu trúc rõ ràng được coi là bước tiến lớn trong khoa học vật liệu.