Kim cương 'ngoài hành tinh' cứng hơn 60% vừa được tái tạo

[miro1510]

Đội nhà khoa học Trung Quốc nhân tạo kim cương lục giác giống thiên thạch, cứng hơn kim cương thường và có kích thước khoảng 100 µm.

Hình ảnh thiên thạch Canyon Diablo.

Một nhóm nhà khoa học Trung Quốc có thể đã giải mã bí ẩn đằng sau những viên kim cương kỳ lạ Canyon Diablo. Thay vì cấu trúc lập phương thông thường, những viên kim cương này mang cấu trúc lục giác, và nguồn gốc hình thành của chúng từng là điều chưa rõ ràng.

Kim cương thông thường được tạo thành từ các nguyên tử cacbon xếp theo cấu trúc lập phương. Tuy nhiên, có một dạng hiếm hơn là kim cương lục giác — các nguyên tử xếp như tổ ong — dường như hình thành khi thiên thạch va vào Trái Đất, sinh ra nhiệt độ và áp suất cực lớn.

Viên kim cương có cấu trúc lục giác đầu tiên được phát hiện trong thiên thạch ‘Diablo Canyon’, được cho là đã rơi xuống Trái Đất khoảng 50.000 năm trước và rơi tại khu vực nay thuộc bang Arizona (Hoa Kỳ).

Hiện nhóm liên kết giữa Centre for High Pressure Science and Technology Advanced Research và Xian Institute of Optics and Precision Mechanics thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc tuyên bố đã tái tạo được loại “kim cương thiên thạch” bí ẩn này trong phòng thí nghiệm.

Phá vỡ bí ẩn thiên thạch

Hầu hết kim cương hình thành ở độ sâu gần 150 km dưới bề mặt Trái Đất, nơi nhiệt độ có thể vượt quá 1.093°C. Nhiệt độ và áp suất ở độ sâu này khiến nguyên tử cacbon xếp thành cấu trúc lập phương.

Ngược lại, thiên thạch Diablo Canyon chứa những viên kim cương lạ được hình thành trong hành trình bạo liệt đến Trái Đất.

Những viên kim cương trong thiên thạch có cấu trúc tinh thể lục giác gọi là lonsdaleite. Cấu trúc này khiến các viên kim cương cứng hơn cả kim cương “truyền thống”, có thể lên tới 60% cứng hơn.

Từ khi được phát hiện, đã có tranh luận kéo dài nhiều thập kỷ về việc liệu kim cương thiên thạch có tồn tại nguyên chất hay chỉ là pha trộn giữa kim cương lập phương và than chì. Những nỗ lực trước đây thường chỉ tạo ra kim cương lập phương thông thường hoặc các hỗn hợp lộn xộn.

Ví dụ, từng có nghiên cứu từng thành công một phần bằng cách sử dụng thuốc súng và không khí nén trên đĩa than chì. Tuy nhiên, thành công của nhóm nghiên cứu Trung Quốc dường như đã khép lại tranh luận khoa học kéo dài khoảng 60 năm.

Tổng hợp kim cương “ngoài hành tinh”

Theo các báo cáo, nhóm đã tạo ra các tinh thể kim cương lục giác nguyên chất có kích thước khoảng 100 µm, tương đương độ dày một sợi tóc người.

Họ đạt được điều này bằng cách sử dụng than chì đơn tinh thể cực kỳ tinh khiết, với ý tưởng rằng ít tạp chất hơn sẽ giảm khả năng “mặc định” về cấu trúc lập phương.

Trong quá trình tiến hành, các nhà khoa học áp dụng áp suất và nhiệt độ cao có thể kiểm soát, cùng điều kiện quasi-thủy động học (áp suất đều theo mọi hướng).

Họ cũng sử dụng kỹ thuật tia X in situ để quan sát chuyển đổi trong thời gian thực và điều chỉnh điều kiện nhằm ưu tiên sự phát triển của kim cương lục giác.

Bước đột phá này được xem là bằng chứng hiển vi đầu tiên khẳng định kim cương lục giác tồn tại như một cấu trúc riêng biệt và ổn định ở quy mô lớn hơn vi mô. Nó cũng mở rộng định nghĩa về “vật liệu siêu cứng” vượt trên các tính chất của kim cương lập phương truyền thống.

Xét rằng kim cương lục giác tổng hợp hứa hẹn độ cứng và khả năng chịu nhiệt vượt trội, chúng có thể được ứng dụng trong sản xuất dụng cụ cắt, lớp phủ chống mòn, và có thể trong các thiết bị điện tử cao cấp (kim cương dẫn nhiệt tốt và chịu được điều kiện khắc nghiệt).

“Kim cương lục giác tổng hợp này được kỳ vọng sẽ mở ra những con đường mới cho phát triển vật liệu siêu cứng và thiết bị điện tử cao cấp,” ông Ho-kwang Mao từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc phát biểu.