Khám Phá Công Nghệ Mới Từ Trung Quốc: Đá Quý Bền Hơn Gấp Sáu Lần Kim Cương

Mới đây, một nghiên cứu đột phá được công bố trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature Synthesis đã gây tiếng vang lớn trong ngành công nghiệp vật liệu. Với nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực chế tạo công nghiệp, khoan địa chất và hàng không vũ trụ, nghiên cứu này mở ra những khả năng mới cho các sản phẩm kim cương.

Khi nói đến đá quý, kim cương luôn nổi bật là loại vật liệu cứng nhất trên Trái Đất. Tuy nhiên, mặc dù kim cương có khả năng chống trầy xước đáng kinh ngạc, nhưng nó lại khá giòn và dễ vỡ như thủy tinh khi chịu tác động mạnh. Do vậy, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm nâng cao độ bền của kim cương mà không làm giảm đi độ cứng của nó.

Nhóm nghiên cứu đến từ Viện Vật lý Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Đại học Hàng không Vũ trụ Bắc Kinh đã tìm được một phương pháp độc đáo giúp tăng cường độ dai của kim cương lên gấp 5-6 lần mà vẫn giữ nguyên độ cứng vốn có của nó.

Được thực hiện tại cơ sở nghiên cứu điều kiện cực hạn Huairou ở Bắc Kinh, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm vật liệu trong những điều kiện khắc nghiệt về nhiệt độ và áp suất, nhằm phát triển các loại vật liệu có hiệu năng cao mới.

Vật liệu mới này thậm chí còn tỏ ra vượt trội hơn so với nhiều hợp kim vonfram vốn được dùng trong công nghệ chế tạo các loại đạn xuyên giáp và các ứng dụng chịu lực lớn.

Bí quyết cho sự thành công này nằm ở việc sử dụng các ống nano carbon đa thành (Multi-Walled Carbon Nanotubes – MWCNT) kết hợp vào bên trong cấu trúc kim cương. Đây là những sợi cáp carbon siêu nhỏ, có đường kính chỉ bằng một phần mười ngàn sợi tóc, nhưng sở hữu độ bền kéo cao gấp hàng chục lần so với thép.

Trước đây, nhiều nhóm nghiên cứu đã thử kết hợp ống nano carbon với kim loại hoặc gốm kỹ thuật nhưng không đạt được hiệu quả do các vật liệu này chỉ liên kết cơ học lỏng lẻo. Tuy nhiên, với phương pháp lần này, nhóm đã trộn đều bột kim cương siêu mịn với các ống nano carbon và đưa hỗn hợp này vào điều kiện cực hạn với nhiệt độ khoảng 2.000 độ C và áp suất đạt 15 gigapascal, tương đương với 150.000 lần áp suất khí quyển.

Mức áp suất này rất quan trọng. Nếu quá cao, các ống nano carbon sẽ chuyển đổi thành kim cương; còn nếu quá thấp, bột carbon có thể bị chuyển thành than chì, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Kết quả sau cùng là các ống nano vẫn giữ nguyên cấu trúc dạng sợi và hình thành các liên kết hóa học vững chắc với phần kim cương ở cấp độ nguyên tử.

Theo nhóm nghiên cứu, mạng lưới này hoạt động như cốt thép trong bê tông cốt thép, tạo thành một hệ thống gia cố ba chiều, giúp phân tán ứng suất và kết nối các hạt kim cương với nhau.

Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đã cho thấy vật liệu mới đạt độ cứng khoảng 91,6 gigapascal (GPa), tương đương với kim cương đơn tinh thể thông thường. Đặc biệt, độ dai phá hủy đạt tới 36,4 MPa√m, cao gấp 5-6 lần so với kim cương truyền thống, vượt trội hơn nhiều so với nhiều hợp kim vonfram hiện có.

Nhằm hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi điện tử để quan sát sự hình thành và lan truyền của các vết nứt. Trong kim cương tự nhiên, các vết nứt thường phát triển theo đường thẳng, khiến vật liệu dễ bị phá hủy. Tuy nhiên, trong vật liệu mới, các ống nano carbon hoạt động như những sợi dây neo, kéo, bẻ hướng và phân tán các vết nứt một cách hiệu quả, hấp thụ phần lớn năng lượng va chạm trước khi các vết nứt có thể lan rộng.

Nhờ vào cơ chế này, vật liệu mới không chỉ chống nứt tốt mà còn giữ được độ cứng đặc trưng của kim cương. Theo đánh giá của các nhà khoa học, đây là một bước tiến lớn với nhiều ứng dụng, từ chế tạo dao cắt siêu cứng cho ngành công nghiệp chế biến kim loại và gốm kỹ thuật đến các linh kiện cho ngành hàng không vũ trụ, nơi việc sử dụng vật liệu có độ cứng và khả năng chịu va đập mạnh là vô cùng quan trọng.

Theo SCMP