Khám Phá Đột Phá Công Nghệ Kim Cương Mới Tại Trung Quốc

Một thành tựu nổi bật vừa được công bố trên tạp chí khoa học Nature Synthesis đã mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mãnh liệt trong các lĩnh vực từ công nghiệp chế tạo, khoan thăm dò địa chất cho đến hàng không vũ trụ.

Khi nhắc đến kim cương, người ta thường nghĩ đến vật liệu cứng nhất trên Trái Đất. Tuy nhiên, dù sở hữu khả năng chống trầy xước tuyệt vời, kim cương tự nhiên vẫn có một nhược điểm lớn: tính giòn. Một áp lực không đúng hướng có thể khiến nó dễ dàng vỡ như thủy tinh.

Trải qua nhiều năm, các nhà khoa học đã nỗ lực gia tăng độ bền của kim cương mà không làm giảm tính cứng của nó. Tuy nhiên, để cải thiện một đặc điểm đôi khi lại cần phải hy sinh một đặc điểm khác.

Đội ngũ nghiên cứu từ Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc cùng Đại học Hàng không Vũ trụ Bắc Kinh đã phát triển một phương pháp mới, giúp cải thiện độ bền tác động của kim cương từ 5 đến 6 lần mà vẫn bảo đảm độ cứng nguyên bản.

Nghiên cứu này được thực hiện dưới sự hỗ trợ của Cơ sở nghiên cứu điều kiện cực hạn Huairou (Bắc Kinh), nơi cho phép thử nghiệm các loại vật liệu dưới những điều kiện khắt khe về nhiệt độ, áp suất nhằm phát triển ra các thế hệ vật liệu hiệu năng cao mới.

Vật liệu mới được tạo ra thậm chí còn có khả năng chống nứt tốt hơn so với nhiều hợp kim vonfram, thường được dùng trong các loại đạn xuyên giáp và các ứng dụng cần chịu tải trọng lớn.

Bí quyết của thành công này nằm ở việc kết hợp các ống nano carbon đa thành (Multi-Walled Carbon Nanotubes – MWCNT) vào bên trong cấu trúc kim cương.

Các ống nano carbon này là những “sợi cáp” siêu nhỏ với đường kính chỉ bằng khoảng 1/10.000 sợi tóc người, nhưng độ bền kéo của chúng cao gấp hàng chục lần thép.

Trước đây, nhiều nhóm nghiên cứu cũng đã cố gắng kết hợp ống nano carbon với kim loại hoặc gốm kỹ thuật, nhưng thường không đạt hiệu quả mong muốn do việc liên kết giữa các vật liệu này còn lỏng lẻo, không thể truyền tải lực khi chịu tải.

Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã chọn cách tiếp cận hoàn toàn mới. Họ hòa trộn bột kim cương siêu mịn cùng với các ống nano carbon, rồi đưa hỗn hợp này vào môi trường có điều kiện cực đoan, với nhiệt độ lên tới 2.000 độ C và áp suất đạt 15 gigapascal, tương đương khoảng 150.000 lần áp suất khí quyển.

Các thông số áp suất này được tính toán rất kỹ lưỡng. Nếu áp suất quá cao, các ống nano carbon sẽ chuyển hóa thành kim cương; ngược lại, nếu áp suất quá thấp, bột carbon có thể hóa thành than chì, làm giảm chất lượng của vật liệu.

Kết quả cuối cùng mang lại là các ống nano vẫn giữ nguyên dạng cấu trúc sợi, đồng thời hình thành nên các liên kết hóa học vững chắc với tinh thể kim cương ở cấp độ nguyên tử.

Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng mạng lưới này hoạt động giống như cốt thép trong bê tông cốt thép. Hệ thống các ống nano carbon tạo ra một cấu trúc gia cường ba chiều, liên kết các hạt kim cương với nhau và giúp phân tán ứng suất khi vật liệu chịu lực.

Các thử nghiệm trong phòng lab cho thấy vật liệu mới này đạt độ cứng khoảng 91,6 gigapascal (GPa), tương đương độ cứng của kim cương đơn tinh thể, trong khi độ dai phá hủy đạt tới 36,4 MPa√m, cao gấp 5-6 lần so với kim cương truyền thống và vượt trội hơn nhiều so với các hợp kim vonfram hiện tại.

Để tìm hiểu sâu hơn về cơ chế hoạt động, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi điện tử để theo dõi quá trình hình thành và phát tán các vết nứt trong vật liệu.

Ở kim cương thông thường, các vết nứt hầu như phát triển theo đường thẳng, dẫn đến việc vật liệu bị phá hủy nhanh chóng giống như khi kính vỡ. Ngược lại, đối với vật liệu mới, các ống nano carbon đóng vai trò như vô số dây neo, kéo, bẻ hướng và phân tán các vết nứt theo nhiều chiều khác nhau, hấp thu phần lớn năng lượng va đập trước khi vết nứt lan rộng.

Chính nhờ vào cơ chế này mà vật liệu mới sở hữu khả năng chống nứt vượt trội, trong khi vẫn duy trì được độ cứng đặc trưng của kim cương.

Các nhà khoa học tin rằng vật liệu mới này sẽ có nhiều ứng dụng tiềm năng. Trong ngành công nghiệp, nó có thể được sử dụng để sản xuất các loại dao cắt siêu cứng cho việc gia công kim loại và gốm kỹ thuật, đầu khoan địa chất có khả năng hoạt động trong các điều kiện khắc nghiệt hoặc các linh kiện chống mài mòn cao.

Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, vật liệu này cũng được kỳ vọng sẽ được ứng dụng trong các bộ phận yêu cầu độ cứng và khả năng chịu va đập mạnh.

Theo thông tin từ SCMP