Wn/vi/Vật liệu kính cứng như kim cương

Thứ 2, ngày 9 tháng 8 năm 2021

Nhóm nghiên cứu ở miền bắc Trung Quốc phát triển vật liệu kính có thể dễ dàng tạo ra vết rạch sâu trên bề mặt kim cương.

AM-III là vật liệu màu vàng trong suốt cấu tạo hoàn toàn từ carbon, đạt mốc 113 gigapascal (GPa) trong phép kiểm tra độ cứng Vickers. So với AM-III, kim cương tự nhiên có độ cứng 50 - 70 GPa trong khi một số loại kim cương nhân tạo có chỉ số 100 GPa. Dù còn mất nhiều năm để có thể sản xuất hàng loạt và giá thành chắc chắn không rẻ, cửa sổ chống đạn làm bằng AM-III có thể cứng gấp 20 - 100 lần so với các sản phẩm hiện nay.

Theo các nhà nghiên cứu, vật liệu kính mới không đẹp mắt như đá quý nhưng có thể ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp công nghệ cao. Ví dụ, AM-III là chất bán dẫn hiệu quả gần bằng silicon. Khả năng dẫn điện biến nó thành lựa chọn tốt để sử dụng trong thiết bị quang điện, bao gồm vũ khí cần hoạt động trong môi trường cực hạn như áp suất và nhiệt độ cao.

"Sự ra đời của vật liệu carbon vô định hình siêu cứng và siêu bền này cung cấp lựa chọn tuyệt vời cho những ứng dụng thực tế khắt khe nhất", giáo sư Tian Yongjun và cộng sự ở Trung tâm khoa học áp suất cao tại Đại học Yến Sơn, Tần Hoàng Đảo, Hà Bắc, cho biết trong nghiên cứu công bố hôm 5/8 trên tạp chí National Science Review.

Kim cương là tinh thể. Ở dạng tinh thể, nguyên tử và phân tử xếp thẳng hàng theo trật tự và phương hướng hoàn hảo. Nhưng nếu có nhiều trật tự và phương hướng, cấu trúc trở nên rối rắm và vật liệu trở thành kính. Thông thường, kính rất yếu. Nhưng AM-III là kính chứa tinh thể bên trong.

Dưới kính hiển vi, cấu trúc chi tiết nhất của vật liệu xuất hiện theo trật tự, giống như tinh thể. Nhưng nếu phóng to một chút, hình ảnh trông giống vô số con giun bị đông cứng trên đĩa. Sự kết hợp này có thể đem đến cho vật liệu một số đặc tính khác thường. Trước đó, nhóm nghiên cứu tạo ra nhiều loại vật liệu mới với các sự kết hợp khác nhau về trật tự. AM-III có tỷ lệ nguyên tử và phân tử xếp theo trật tự cao nhất, nhờ đó đạt độ cứng lớn nhất. Tuy nhiên, cấu trúc trật tự không thể tăng thêm nữa bởi điều đó sẽ biến vật liệu thành kim cương, làm mất tính bán dẫn và một số đặc tính khác chỉ tồn tại ở vật liệu có trạng thái hỗn loạn.

Năm 2013, nhóm nghiên cứu của Tian tạo ra vật liệu cứng nhất thế giới có thể nhìn thấy bằng mắt thường, một tinh thể boron nitride cứng gấp đôi kim cương (200 GPa) và kỷ lục vẫn giữ nguyên tới nay. Nhưng ở một số phương diện, chế tạo kính siêu cứng phức tạp hơn so với tinh thể.

Kim cương nhân tạo được sản xuất từ đá graphite rẻ tiền dưới nhiệt độ và áp suất cao. Quá trình sản xuất AM-III cần fullerene, một vật liệu phức tạp bao gồm phân tử tương tự quả bóng đá với cấu trúc rỗng tạo từ nguyên tử carbon. Fullerene mềm đến mức được sử dụng trong một số loại mỹ phẩm. Dưới nhiệt độ và áp suất tăng dần, những "quả bóng" carbon bị nghiền nát và hòa lẫn vào nhau. Tian và cộng sự đã tăng áp suất trong buồng thí nghiệm tới 25 GPa và nhiệt độ tới 1.200 độ C.

Một số nhóm nghiên cứu khác đã nỗ lực luyện fullerene trước đây, nhưng chưa ai thử điều kiện cực hạn như vậy do lo ngại vật liệu sẽ biến thành kim cương. Thí nghiệm có thể thất bại nếu vội vã. Nhóm của Tian mất hơn 12 giờ để tăng dần nhiệt độ và áp suất tới mức tối đa, và mất thời gian tương đương để vật liệu nguội từ từ.

AM-III là kết quả hợp tác quốc tế. Các nhà khoa học đến từ Thụy Điển, Mỹ, Đức và Nga cũng tham gia thí nghiệm ở Trung Quốc, giúp đưa ra nhiều ý tưởng mới và phân tích dữ liệu. Các nhà khoa học tạo ra nhiều vật liệu cứng. Ví dụ, graphene có thể chịu lực hơn 400 GPa. Nhưng độ cứng như vậy chỉ tồn tại khi vật liệu dày bằng một nguyên tử. Xếp chồng nhiều lớp graphene lên nhau sẽ biến nó thành graphite mềm thông thường. AM-III có thể được sản xuất theo nhiều hình dạng và kích thước. Khác với kim cương có một số mặt yếu do cách sắp xếp nguyên tử, AM-III cứng ở mọi mặt.