Vật liệu có thể soán ngôi kim cương về độ cứng

Các nhà khoa học tạo ra vật liệu mới gần như không thể phá vỡ và có thể cạnh tranh danh hiệu hợp chất cứng nhất hành tinh với kim cương.

Kim cương vẫn đang là vật liệu cứng nhất thế giới được biết đến. Nó có vị trí hàng đầu trong các công cụ cho những tác vụ khắc nghiệt nhất, từ lưỡi cưa cho đến bộ phận của tàu vũ trụ.

Kể từ cuối những năm 1980, các nhà khoa học đã tìm cách thay thế giải pháp khai thác kim cương, vốn là các mỏ hình thành sâu bên trong Trái đất, thường gắn với những hành vi bóc lột lao động và tổn hại môi trường, bằng vật liệu có tên carbon nitride.

Carbon nitride, hình thành từ carbon và nitơ, về mặt lý thuyết có thể sánh ngang với độ cứng của kim cương. Song một giải pháp quy mô công nghiệp là điều không khả thi trong thời gian dài.

Một nhóm nhà khoa học quốc tế đứng đầu là các nhà nghiên cứu ở Trung tâm khoa học điều kiện cực hạn tại Đại học Edinburgh tạo ra đột phá mới khi tổng hợp tiền chất carbon và nitrogen nhằm tạo ra carbon nitride, hợp chất cứng hơn cubic boron nitride, hiện nay là vật liệu cứng thứ hai trên thế giới chỉ sau kim cương. Họ công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Advanced Materials, New Atlas hôm 14/12 đưa tin. Theo nhà nghiên cứu Dominique Laniel ở Đại học Edinburgh, loại vật liệu này cung cấp động lực mạnh mẽ để lấp đầy khoảng cách giữa tổng hợp vật liệu áp suất cao và ứng dụng công nghiệp.

Kim cương là vật liệu cứng nhất thế giới hiện nay. (Ảnh: PA).

Dù giới khoa học nhận thấy tiềm năng của carbon nitride từ thập niên 1980, bao gồm khả năng chịu nhiệt cao, việc tạo ra chúng là một câu chuyện khác. Trên thực tế, tính đến nay chưa có nghiên cứu đáng tin cậy nào về tổng hợp carbon nitride được công bố.

Nhóm nghiên cứu bao gồm nhiều chuyên gia vật liệu từ Đại học Bayreuth, Đức, và Đại học Linköping, Thụy Điển, đạt được thành tựu khi để các dạng khác nhau của tiền chất carbon nitrogen chịu áp suất 70 - 135 gigapascal (gấp khoảng một triệu lần áp suất khí quyển), đồng thời nung nóng chúng tới hơn 1.500 độ C. Sau đó, họ kiểm tra sắp xếp nguyên tử thông qua chùm tia X ở Cơ sở nghiên cứu Synchrotron châu Âu tại Pháp, Deutsches Elektronen - Synchrotron tại Đức và Advanced Photon Source tại Mỹ.

Kết quả phân tích hé lộ ba hợp chất carbon nitride tổng hợp có cấu trúc cần thiết đối với vật liệu siêu cứng. Các nhà nghiên cứu rất bất ngờ khi phát hiện bộ ba hợp chất vẫn giữ được đặc tính siêu cứng khi nguội dần và trở lại áp suất xung quanh. Nhóm nghiên cứu cho rằng đột phá này sẽ mở đường cho nhiều ứng dụng, bao gồm lớp phủ bảo vệ phương tiện và tàu vũ trụ, công cụ cắt hiệu quả và cảm biến quang.

Ngoài độ cứng, những hợp chất carbon nitride gần như không thể phá hủy này cũng có khả năng phát quang, áp điện và mật độ năng lượng cao, có thể lưu trữ lượng lớn năng lượng trong khối lượng nhỏ.

Vật liệu mới từ carbon nitride có độ cứng gần bằng kim cương, có tiềm năng ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau.

Carbon nitride không hoàn toàn thay thế được kim cương tự nhiên. Độ cứng của một viên kim cương vào khoảng 90 gigapascal (GPa), trong khi một khối boron nitride chỉ đạt khoảng 50 đến 55 GPa. Hợp chất carbon nitride mới, đạt khoảng 78 và 86 Gpa, tùy thuộc vào cấu trúc tinh thể. Chênh lệch về con số không nhiều, nhưng thế là chưa đủ để giành ngôi vị số một của kim cương.

Mẫu vật liệu mới mà các nhà khoa học tạo ra chỉ có kích thước 5x3 micromet. Và để tạo ra những mẫu lớn hơn, sẽ cần những viên kim cương lớn hơn cùng áp suất lớn hơn nữa, khiến carbon nitride siêu cứng mới trở nên cực kỳ đắt đỏ.

Song, việc cắt giảm chi phí sẽ là mục tiêu hướng đến khi vật liệu này có lợi thế so với kim cương thông thường, nó có thể tạo ra tín hiệu điện - một đặc điểm tiện dụng khi sử dụng trong cảm biến.

• Những vật liệu cứng nhất hành tinh
• Tìm hiểu về kim cương và cách nhận biết kim cương thật
• Phát hiện chất mới cứng hơn kim cương trong thiên thạch ở Nga