Phát triển thành công vật liệu cứng như 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.

Ba thập kỷ sau, một nhóm các nhà khoa học quốc tế từ Đại học Edinburgh, Đại học Bayreuth và Đại học Linköping cuối cùng đã đạt được bước đột phá quan trọng trong sản xuất vật liệu siêu cứng này. Về cơ bản, các nhà khoa học phải tái tạo lại điều kiện tự nhiên của các thành tố tồn tại ở trung tâm Trái đất.

Để làm được điều này, các nhà khoa học đã nén carbon và nitơ ở áp suất gấp 700.000 lần áp suất khí quyển. Đồng thời, họ sử dụng tia laser, làm nóng vật liệu đến nhiệt độ 2732 độ F (1500 độ C). Tiếp đó, các mẫu được soi bằng chùm tia X cường độ cao tại ba máy gia tốc hạt (đặt lần lượt tại Pháp, Đức và Mỹ).

Công trình nghiên cứu được công bố vào tháng 10/2023 trên tạp chí Advanced Materials. Các nhà khoa học phát hiện ra ba hợp chất carbon nitride có độ cứng siêu cao và giữ đặc tính giống kim cương khi trở về điều kiện nhiệt độ và áp suất xung quanh.

“Với việc khám phá ra vật liệu carbon nitride mới, chúng tôi bắt đầu nghĩ đến việc chế tạo vật liệu mà giới nghiên cứu đã mơ ước suốt ba thập kỷ” , Dominique Laniel, đồng tác giả nghiên cứu của Đại học Edinburgh cho biết. “Những vật liệu này giúp quá trình tổng hợp vật liệu áp suất cao và ứng dụng công nghiệp công nghiệp trở nên gần nhau hơn”.

Nghiên cứu sâu hơn còn cho thấy vật liệu mới chứa các đặc tính bổ sung như khả năng phát quang và lưu trữ mật độ năng lượng cao chỉ trong một khối lượng nhỏ.

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.