Kim cương bị soán ngôi 'cứng nhất thế giới'?
GETTY IMAGES
Ở lõi hành tinh của chúng ta, khối lượng hàng tỷ tấn đá chèn từ trên xuống tạo ra lực mạnh gấp ba triệu lần áp suất khí quyển trên bề mặt Trái Đất.
Nhưng trong một phòng thí nghiệm khiêm tốn ở Bắc Bavaria, nhà vật lý Natalia Dubrovinskaia thậm chí có thể tạo được áp lực ghê gớm tới cỡ đó trong nhiều lần liên tiếp chỉ bằng một thiết bị bà cầm gọn trong lòng bàn tay.
Chỉ với vài lần xoay chắc chắn với mấy cái đinh vít trên một hình trụ kim loại nhỏ, bà có thể tạo ra áp lực mạnh gấp ba lần lực trong lõi Trái Đất.
Bà và các đồng nghiệp từ Đại học Bayreuth đã tìm ra một loại siêu vật liệu có khả năng chịu đựng những lực mạnh khủng khiếp đó.
Nó cứng đến mức có thể làm sứt mẻ kim cương - thứ từ trước đến giờ vẫn được coi là loại vật liệu cứng nhất thế giới.
Vật chất mới của bà là đỉnh cao của hàng thập niên nghiên cứu của thuật giả kim hiện đại, nơi nhiều nhà khoa học đã tìm ra những cách tinh chỉnh và làm thay đổi cấu trúc của các nguyên tố hóa học nhằm làm thay đổi tính chất của các nguyên tố đó.
Đó là một hành trình với đầy những khởi đầu sai lầm, các ngã rẽ lạc lối, nhưng thành công gần đây có thể tạo ra những ảnh hưởng rộng lớn, từ những đột phá trong y học cho đến hiểu biết của con người về các thế giới xa xôi.
Hành trình đi tìm chất siêu cứng
Niềm đam mê vật liệu cứng đã có từ thuở hồng hoang, khi tổ tiên chúng ta đã biết dùng đá để đẽo gọt những viên đá mềm hơn thành lưỡi dao.
Sau đó, các kỹ thuật này được thay thế bằng những thứ kim loại cứng hơn cho đến 2.000 năm trước, khi miếng sắt đầu tiên được sản xuất và trở thành vật liệu cứng nhất từng được con người biết đến.
Rồi đến cuối thế kỷ 18, các nhà khoa học phát hiện họ có thể bọc các thiết bị bằng kim cương để tạo độ cứng hơn thế nữa.
Khi qua chế tác và trở thành những món đồ trang sức, kim cương trông thật quyến rũ. Thế nhưng thật ra hầu hết lượng kim cương đã qua bàn tay xử lý của con người đều được dùng để làm lớp vỏ siêu cứng cho các thiết bị và mũi khoan, nhằm chống mòn.
Trong ngành công nghiệp dầu mỏ và khai mỏ, các mũi khoan có đầu bằng kim cương là những công cụ cực kỳ thiết yếu. Nếu không có chúng, ta sẽ không thể đào sâu vào hàng trăm mét đá để tìm kiếm các tài nguyên quý giá bên dưới lòng đất.
"Vỏ bọc cứng cần thiết cho rất nhiều ứng dụng, từ máy cắt tốc độ cao, mũi khoan biển sâu, ứng dụng khám phá mỏ khí và dầu mỏ cũng như ứng dụng trong y sinh học," Jagdish Narayan, chủ tịch ngành khoa học vật liệu tại Đại học Bắc Carolina nói.
Để hiểu rõ nguyên nhân nào khiến một nguyên tố có thuộc tính cứng chắc, chúng ta cần phải xem cấu trúc nguyên tử của nó.
GETTY IMAGESTầm quan trọng của kim cương
Về thành phần hóa học, kim cương được tạo thành từ các nguyên tử carbon giống với loại than chì mềm vốn được dùng làm lõi bút chì.
Tuy nhiên, hai loại vật chất này lại khác nhau về cách thức các nguyên tử liên kết với nhau.
Than chì được cấu tạo từ nhiều lớp nguyên tử carbon, mỗi lớp gồm các nguyên tử kết nối với nhau theo hình lục giác phẳng, và các lớp được kết nối với nhau bởi lực hấp dẫn yếu.
Ở kim cương, các nguyên tử carbon được kết nối với nhau theo hình khối tứ diện, rất vững chắc. Bản thân các nguyên tử carbon cũng liên kết với nhau rất chắc chắn - mỗi nguyên tử có liên kết hoá trị với bốn nguyên tử khác - cho nên khi được kết hợp với cấu trúc tứ diện này, kim cương trở nên cực kỳ cứng.
Bản thân từ "kim cương" (diamond) bắt nguồn từ một từ cổ Hy Lạp là adámas, còn có nghĩa là không thể bẻ gãy.
Tất nhiên là kim cương vẫn có thể bị bẻ gãy, bị nghiền nát nếu bị tác động với áp lực đủ lớn. Các vết rạn nứt nhỏ trong một tinh thể có thể làm nó suy yếu, khiến kim cương dễ bị vỡ.
Với các nhà khoa học, thì vấn đề là phải tìm ra cách cho phép họ nghiên cứu phản xạ của các vật chất cụ thể khi đặt chúng dưới áp lực cao hơn áp lực làm vỡ tan nguyên tố tự nhiên cứng nhất trên hành tinh.
Mà để làm được điều này, họ cần tìm ra một thứ cứng hơn nguyên tố cứng nhất đó, tức là phải cứng hơn kim cương.
Những niềm hy vọng bị tan vỡ
Có lẽ không có gì ngạc nhiên khi các khoa học gia bắt đầu hành trình tìm kiếm vật liệu siêu cứng bằng việc tìm cách tái tạo cấu trúc của kim cương. Thế nhưng chỉ có một vài nguyên tố có thể gắn kết với nhau theo cách này.
Một trong những chất đó là boron nitride.
Giống carbon, loại vật liệu tổng hợp này có một số thể khác nhau, và các nhà nghiên cứu có thể 'bắt chước' cấu trúc kim cương bằng cách thay thế các nguyên tử carbon bằng các nguyên tử nitrogen và boron.
Được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1957 và được đặt tên là khối boron nitride, ban đầu chất này được cho biết là cứng đến mức có thể làm trầy xước kim cương.
Thế nhưng hy vọng ngay sau đó đã tan vỡ khi các thí nghiệm cho thấy độ cứng của nó chỉ chưa bằng một nửa kim cương.
Vài thập niên sau đó, giới khoa học lại thất vọng khi cố gắng tìm cách khác để tạo ra các hình thức kết nối nguyên tử của ba nguyên tố này - nitrogen, boron và carbon - thành nhiều cấu trúc khác nhau.
Các màng mỏng của một trong những loại vật chất đó được sản xuất vào năm 1972, tuy nhiên, lại tạo ra một dạng giống cấu trúc kim cương. Nhược điểm là phải có các quy trình hoá học phức tạp và nhiệt độ cực kỳ cao để tạo ra nó.
Mãi đến năm 2001, chất boron carbon nitride giống kim cương mới được các khoa học gia ở Viện nghiên cứu Khoa học Quốc gia ở Ukraine tại Kiev tuyên bố sản xuất được cùng với các đồng nghiệp từ Pháp và Đức.
Nhưng họ nhận thấy dù nguyên tố mới cứng hơn các tinh thể của khối boron nitride, nó vẫn chưa đạt đến chuẩn độ cứng của kim cương.
Sau đó, bảy năm sau, Changfeng Chen, một nhà vật lý tại Đại học Nevada và đồng nghiệp tại Đại học Giao thông Thượng Hải của Trung Quốc, nghĩ rằng họ đã chạm tới được một thứ có thể soán ngôi kim cương về độ cứng chắc.
NATALIA DUBROVINSKAIA ET ALSCIENTIFIC ADVANCES
Họ tính toán rằng một cấu trúc hình lục giác lạ lùng của boron nitride, có tên là wurtzite boron nitride, sẽ có thể chịu lực mạnh hơn kim cương 18%.
Loại vật liệu hiếm này có kết cấu kết nối giữa các nguyên tử theo hình khối, giống như kết cấu nguyên tử ở kim cương và khối boron nitride. Tuy nhiên, sự khác biệt ở đây là các nguyên tử của vật liệu này kết nối với nhau ở các góc độ khác.
Mô phỏng trên máy tính nhằm tìm hiểu mức độ phản ứng của vật liệu này khi chịu lực cho thấy nó có một số liên kết linh hoạt, tự tái định hướng khoảng 90 độ khi bị lực tác động để giải toả áp lực.
Ở mức áp lực như nhau, tức vẫn trong khả năng chịu đựng của kim cương, thì các liên kết trong kim cương phản ứng tương tự. Thế nhưng wurtzite boron nitride trở nên mạnh hơn đến gần 80% khi bị áp lực cao hơn thế.
Khó khăn ở đây là việc tạo ra wurtzite boron nitride khá nguy hiểm. Trong tự nhiên, nó chỉ được sinh ra từ sức nóng khủng khiếp và áp lực của núi lửa phun trào.
Như vậy, để tạo được chất này, con người sẽ phải tạo ra các vụ nổ tương tự thế, nghĩa là cực kỳ khó đạt được; điều này đến nay vẫn chưa được thử nghiệm.
Các vấn đề tương tự đã hạn chế việc nghiên cứu một chất liên quan, được biết đến với tên gọi tên lonsdaleite (còn được gọi là kim cương hình lục giác), có thể chịu được lực mạnh hơn đến 58% so với kim cương thông thường.
Bước đột phá
Mãi cho tới vài năm gần đây, cuối cùng chúng ta cũng mới đạt được những đột phá.
Năm 2015, Jagdish Narayan và các cộng sự tại Đại học Bắc Carolina cho biết họ đã làm tan chảy một cấu trúc carbon phi tinh thể, được biết đến với tên gọi carbon kính (glassy-carbon), bằng cách dùng xung bức xạ laser nhanh đốt nóng chất đó lên đến 3.700 độ C sau đó làm lạnh thật nhanh.
Quá trình làm lạnh này, hay còn gọi là dập tắt, chính là bước đã tạo ra chất tên là Q-carbon. Chất Q-carbon mà họ tạo ra là một dạng cấu trúc carbon không định hình, lạ thường nhưng cực kỳ cứng chắc.
Khác với các cấu trúc carbon khác, chất này có từ tính và phát sáng khi tiếp xúc với nguồn sáng.
Cấu trúc của vật liệu này chủ yếu được tạo ra từ liên kết giống kim cương nhưng cũng có khoảng 10-15% độ giống với liên kết than chì.
Thử nghiệm của nhóm nghiên cứu cho thấy Q-carbon cứng hơn ít nhất là 60% so với kim cương, nhưng thông tin này chưa được xác nhận chắc chắn.
Để thử nghiệm độ cứng của một mẫu vật, ta cần phải có một thứ rắn hơn mẫu vật đó.
Khi cố gắng nghiền nát một mẫu Q-carbon bằng cách dùng hai mũi nhọn kim cương mài sắc kẹp lại thì là lúc phát sinh vấn đề. "Mũi kim cương biến dạng trong quá trình đo độ cứng của Q-carbon," Narayan nói.
Kỷ nguyên mới
Và đây là lúc chiếc đe siêu cứng của Dubrovinskaia xuất hiện.
Vật liệu mới của bà là một dạng độc nhất vô nhị của carbon, được biết đến với tên gọi là các khối cầu kim cương nanocrystalline (nanocrystalline diamond balls).
Thay vì được tạo ra từ một lưới tinh thể từ các nguyên tử carbon đơn lẻ như đá quý mà chúng ta vẫn dùng để chế tác đồ trang sức, chất này được tạo ra từ rất nhiều tinh thể siêu nhỏ, mỗi tinh thể nhỏ hơn 11.000 lần so với tiết diện một sợi tóc người.
NATALIA DUBROVINSKAIA ET AL SCIENTIFIC ADVANCES
Những tinh thể này liên kết với nhau bởi một lớp graphene (tấm carbon lục giác tuần hoàn). Chất liệu kỳ diệu đoạt giải Nobel này được tạo thành từ một lớp carbon có độ dày chỉ bằng một nguyên tử.
Trong khi tinh thể kim cương bắt đầu không chịu được áp lực 120 Giga Pascals (GPa), thì vật liệu mới có thể chịu được ít nhất 460 GPa.
Nó thậm chí có thể chịu được khi tổng lực ép tạo ra áp lực đến 1.000GPa.
Điều này khiến khối cầu nhỏ xíu này cứng hơn bất cứ loại vật liệu nào từng được biết đến trên hành tinh này.
Để so sánh tương đương, lực này bằng với việc đặt 3.000 con voi Châu Phi trưởng thành lên một chiếc gót giày nhọn.
"Đây là vật liệu cứng nhất trong tất cả các loại siêu cứng vì nó có thể làm biến dạng tất cả chúng," Dubrovinskaia nói.
Những khối cầu kim cương nanocrystalline này trong suốt, khiến chúng có thể được biến thành những mắt kính siêu nhỏ giúp các nhà nghiên cứu dùng X-quang để quan sát được vật chất bị nó nghiền nát.
"Nó cho phép chúng tôi tạo áp lực lên vật chất đang nghiên cứu và quan sát xem điều gì xảy ra," Dubrovinskaia nói. "Việc đạt được áp suất siêu lớn đã mở ra một chân trời mới trong việc tìm hiểu vấn đề một cách kỹ càng hơn."
Dubrovinskaia và đồng nghiệp của bà đã ứng dụng thành quả này trong nghiên cứu chất osimi, một chất thuộc nhóm các kim loại chống nén mạnh nhất trên thế giới.
Họ thấy rằng kim loại này có thể chịu được áp lực lên tới trên 750GPa. Trên mức đó, các electron bên trong, vốn thường liên kết chặt chẽ với nguyên tử kim loại ở phần lõi và cực kỳ ổn định, bắt đầu tương tác với nhau.
Các nhà nghiên cứu tin rằng phản ứng lạ lùng này có thể khiến kim loại thay đổi từ thể rắn sang thành một trạng thái chưa từng được biết trước đó. Họ hy vọng sẽ nghiên cứu xem sau khi bị tác động bằng cách này, osimi sẽ có thêm tính chất gì trong tương lai.
Ứng dụng khoa học
Loại nano kim cương siêu cứng này đã đi xa hơn khỏi giới hạn ban đầu là cắt được đá và kim loại.
Nano kim cương này khi tồn tại ở dạng bột có thể được sử dụng trong ngành công nghiệp mỹ phẩm, bởi nó thấm khô rất tốt và bám dính vào các hoạt chất. Chúng sẽ thấm vào da và mang theo các hoạt chất thấm vào theo.
Ngành y dược cũng đang bắt đầu khám phá cách sử dụng để đưa các loại thuốc như dùng trong phác đồ hoá trị vào các nơi khó tới nhất trong cơ thể. Nghiên cứu cũng cho thấy nano kim cương có thể kích thích sự phát triển của xương và sụn.
Hơn thế nữa, nghiên cứu này có thể giúp giải mã một số bí ẩn của hệ mặt trời.
Một cuộc hội thảo quốc tế được tổ chức trong tháng Chín 2016 dành cho các chuyên gia nhằm thảo luận về một số vấn đề này.
Trong khi ở phần lõi Trái Đất, áp lực được cho là có thể đạt đến 360GPa, thì hành tinh lớn nhất bay trong quỹ đạo của Mặt Trời, hành tinh khí khổng lồ - Sao Mộc, được cho là có lực đến 4.500GPa ở phần lõi của nó.
Với những áp lực này, các nguyên tố bắt đầu phản ứng theo những cách lạ lùng.
Chẳng hạn như hydrogen - một chất thường tồn tại ở dạng khí ở Trái Đất - bắt đầu có tính chất như kim loại, và có thể dẫn điện.
Dubrovinskaia và Dubrovinsky hy vọng loại kim cương siêu cứng của họ có thể giúp con người tạo ra những điều kiện tương đương vũ trụ như vậy.
"Chúng tôi bắt đầu khởi tạo mô hình bên trong hành tinh khổng lồ hay Siêu Trái Đất ngoài vũ trụ bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta," Dubrovinskaia nói.
"Tôi nghĩ thậm chí còn thú vị hơn nếu chúng ta có thể làm được việc này bằng một vật gì đó mà mình có thể cầm gọn trong tay."
Bản tiếng Anh đã đăng trên BBC Future.
No comments:
Post a Comment