Khi hỏi bất kỳ ai đó đam mê khoa học rằng 'Vật liệu cứng nhất thế giới là gì', chắc chắn họ sẽ trả lời là "kim cương". Vậy điều này có hoàn toàn đúng trong mọi hoàn cảnh?
Từ 'kim cương' có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp là "ἀδάμας" (đọc là adamas), có nghĩa là không thể phá vỡ. Trong nhiều thập kỷ, con người đã sử dụng triệt để độ cứng của kim cương nhằm cắt gọt các vật liệu khác. Ngoài ra, với khả năng tương tác tốt với ánh sáng, kim cương cũng là món đồ trang sức được phái đẹp vô cùng thèm muốn. Nhưng đây có phải là vật liệu cứng nhất trên trái đất?
Vật liệu tự nhiên cứng nhất trên Trái đất
Khi nói đến các vật liệu tự nhiên cứng nhất, kim cương chắc chắn không có đối thủ. Nhờ kết cấu nhỏ gọn nên độ cứng của kim cương rất khó bị đánh bại. Một trong những cách đo độ cứng được sử dụng phổ biến nhất là thang đo độ cứng Mohs. Đây là thứ được thiết kế bởi nhà khoáng vật học người Đức Friedrich Mohs vào thế kỷ 19. Thang đo này đặc trưng cho tính chất chống lại vết trầy trên những khoáng vật khác nhau dựa trên tính chất khoáng vật có độ cứng lớn hơn sẽ làm trầy khoáng vật có độ cứng nhỏ hơn. Nó phân định độ cứng của vật liệu từ 0 đến 10, với 10 điểm là độ cứng cao nhất (ít bị ảnh hưởng bởi vết xước nhất) và 0 là có độ cứng thấp nhất
Kim cương đạt điểm 10 hoàn hảo trong thang điểm này và cho thấy rằng đây là vật liệu tự nhiên cứng nhất. Để hiểu được kim cương cứng như thế nào, bạn cần biết rằng thép chỉ đạt 4,5 điểm trong thang đo độ cứng Mohs.
Kim cương đứng đầu trên thang đo độ cứng Mohs.
Đến gần đây, khi thang đo độ cứng Mohs không được giới khoa học đánh giá là chính xác nữa và người ta chuyển sang cách sử dụng bài kiểm tra độ cứng Vickers. Với phương pháp này, kim cương vẫn được xác nhận là vật liệu tự nhiên cứng nhất trên trái đất.
Kim cương là một dạng thù hình của Carbon, được tạo thành từ năm nguyên tử Carbon chia sẻ các electron với nhau trong cấu trúc mạng tinh thể tứ diện. Liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử Carbon này là rất bền và khó bị phá vỡ ở nhiệt độ phòng. Do liên kết cộng hóa trị bền chặt này, kim cương không có các electron tự do, khiến nó trở nên dẫn điện kém nhưng lại dẫn nhiệt rất tốt. Trên thực tế, vật liệu này dẫn nhiệt tốt hơn đồng khoảng 5 lần.
Kim cương không phải vật liệu bất khả chiến bại?
Tuy rất cứng ở nhiệt độ phòng nhưng kim cương lại trở nên dễ bị tổn thương ở nhiệt độ cao. Khi bạn nung vật liệu này ở nhiệt độ trên 800 độ C, các tính chất hóa học cũng như vật lý của nó sẽ không còn như cũ, độ bền đặc trưng bị tổn hại. Vào lúc này, chúng bắt đầu phản ứng hóa học với sắt và đây là điều khiến kim cương không được ưa chuộng để gia công thép.
Do đặc tính không bền ở nhiệt độ cao của kim cương, các nhà khoa học từ lâu đã tìm kiếm một loại vật liêu siêu cứng, có tính ổn định hóa học tốt hơn. Vào năm 2009, các nghiên cứu tại Đại học giao thông Thượng Hải (Trung Quốc) và đại học Nevada (Mỹ) đã công bố tìm thấy 2 vật liệu có thể đánh bại kim cương về độ cứng. Đó là Wurtzite boron nitride (w-BN) và Lonsdaleite.
Đã tìm thấy 2 vật liệu cứng hơn cả kim cương.
w-BN có cấu trúc tương tự với kim cương nhưng nó còn có thêm Boron và Ni tơ. Vật liệu này cực kỳ hiếm, chỉ có thể được tìm thấy sau một đợt phun trào núi lửa nhất định. Các nhà khoa học cho rằng w-BN cứng hơn và ổn định về mặt hóa học hơn kim cương ở nhiệt độ cao.
Lonsdaleite cũng được tạo ra từ carbon giống như kim cương, mặc dù có cấu trúc khác. Các nhà khoa học cho rằng vật liệu này còn mạnh hơn cả w-BN. Điều thú vị là Lonsdaleite là chất trong vũ trụ được tìm thấy khi một thiên thạch giàu than chì va vào Trái đất. Các mô phỏng khoa học hiện nay cho thấy vật liệu này cứng hơn kim cương 58% và khiến nó trở thành thứ cứng nhất trên trái đất.
Có một điểm đáng chú ý là w-BN và Lonsdaleite được cho rằng mạnh hơn kim cương nhưng tất cả tuyên bố mới chỉ dựa trên chương trình mô phỏng chạy trên máy tính chứ không phải xác minh vật lý. Lý do là những nguyên tố này cực kỳ khó tìm nên các chuyên gia vẫn chưa kiểm tra vật lý để xác định độ cứng của chúng. Theo các mô phỏng máy tính, cả w-BN và Lonsdaleite đều có tính ổn định nhiệt rất tốt.
Tuy nhiên, kim cương dù có phải là vật liệu cứng nhất thế giới hay không thì nó vẫn là vua của các loại đá quý. Đến hiện nay, khi các nhà khoa học vẫn chưa xác thực được độ cứng w-BN và Lonsdaleite bằng những bài kiểm tra vật lý thì kim cương vẫn giữ được vị trí vật liệu cứng nhất thế giới của mình.