Phương pháp tổng hợp kim cương
Quá trình tổng hợp kim cương có thể được thực hiện bằng phương pháp pha khí (như PVD hoặc CVD), phương pháp pha lỏng (như phương pháp áp suất tĩnh, phương pháp xúc tác hoặc phương pháp CVD pha lỏng) hoặc phương pháp pha rắn.
Phương pháp pha rắn là phương pháp tổng hợp kim cương trong vật liệu không chứa chất lỏng. Các nguyên tử carbon ở trạng thái rắn không thể tái tổ hợp thành cấu trúc kim cương thông qua quá trình khuếch tán trong chất lỏng, mà phải chuyển đổi trực tiếp thành kim cương mà không cần sự xúc tác của chất xúc tác. Sự chuyển pha (Phase Transition) này thuộc loại chuyển pha dịch chuyển (Displacive), hoàn toàn khác biệt so với sự chuyển pha tái tổ hợp (Reconstructive) trong đó các nguyên tử bị phân tán rồi tái tổ hợp lại. Sự chuyển pha kiểu dịch chuyển diễn ra rất nhanh chóng vì các nguyên tử không cần khuếch tán và tái tổ hợp. Do thời gian tổng hợp ngắn, kim cương có thể được tổng hợp tức thì (trong vài micro giây) dưới áp suất tĩnh bằng phương pháp phóng điện tụ điện, hoặc tổng hợp ngay lập tức nhờ áp suất và nhiệt độ cao tạm thời do vụ nổ thuốc nổ tạo ra. Phương pháp đầu tiên không thực tế do bị giới hạn bởi thể tích buồng áp suất cao, vì vậy bột kim cương siêu mịn dùng trong công nghiệp có thể được sản xuất hàng loạt bằng phương pháp nổ.
Các loại phương pháp phân tích bằng phương pháp nổ
Phương pháp nổ được chia thành hai loại: tổng hợp trực tiếp từ thuốc nổ tạo ra áp suất cao, hoặc sử dụng áp suất cao do sóng xung kích tạo ra để chuyển hóa than chì thành kim cương. Khi thuốc nổ phát nổ và hóa hơi, các nguyên tử carbon còn lại cùng các nguyên tố khác sẽ va chạm vào nhau, tạo thành các hạt tro nổ (Detonation Soot) có kích thước nano (3-10 nm). Loại tro nổ này chứa carbon giống kim cương (Diamond Like Carbon hoặc DLC). Quy trình này tương tự như phương pháp PVD. Phương pháp đầu tiên sử dụng sự bùng nổ khí để va chạm một lượng lớn các nguyên tử carbon với nhau, tạo thành các hạt nano, trong khi phương pháp thứ hai sử dụng điện trường để liên tục va chạm các ion carbon hóa khí vào vật liệu nền, tạo thành màng mỏng gồm các tổ hợp hạt nano.
Tổng hợp thuốc nổ
Chất nổ được sử dụng trong phương pháp nổ phải có hàm lượng carbon cao, trong khi hàm lượng oxy và các tạp chất khác phải thấp (như TNT, RDX, HMX, v.v.). Khi chất nổ này được kích nổ trong một khoang kín không có oxy, carbon còn lại sẽ bị nén thành mảnh vụn trong chớp mắt; mảnh vụn này là carbon dạng kim cương chứa rất nhiều (khoảng 10%) tạp chất và khuyết tật. Do kích thước hạt cực nhỏ (ví dụ: 411 m). và diện tích bề mặt cực lớn (khoảng 300 m²/g), nên nó có thể hấp phụ một lượng lớn tạp chất.
Do tỷ lệ chuyển hóa thành kim cương sau khi thuốc nổ phát nổ rất thấp, cộng với chi phí làm sạch và phân loại kim cương nano khá đắt đỏ, nên sản phẩm này chỉ có những ứng dụng cụ thể, chẳng hạn như đánh bóng siêu chính xác, làm cứng bề mặt piston động cơ, hoặc làm hạt mầm cho các quy trình PVDD/CVDD. Do giá thành khá cao (ví dụ: $3/carat), nên hiện tại nhu cầu trên thị trường vẫn chưa cao.
Sóng xung siêu âm
Một phương pháp nổ khác là sử dụng sóng xung kích siêu âm tác động gián tiếp lên than chì, khiến nó chuyển hóa tức thì thành kim cương có kích thước micromet. Phương pháp tổng hợp bằng sóng xung kích (Shock Synthesis) này đã được Tập đoàn DuPont của Mỹ – chuyên sản xuất thuốc nổ – thử nghiệm thành công vào năm 1960 và bắt đầu sản xuất hàng loạt từ những năm 1970. Trong quá trình sản xuất, than chì được trộn đều với bột đồng (92%, 1mm), sau đó được ép thành thanh tròn dài khoảng 5 mét bằng phương pháp ép đẳng tĩnh (Cold isostatic Pressing hoặc CIP). Thanh tròn này được niêm phong trong ống thép có lớp cách ly chân không bên trong. Trước khi nổ, một số ống thép được đặt thành lô trong hầm mỏ, sau đó được lấp đầy bằng vài tấn thuốc nổ xung quanh.
Khi thuốc nổ được kích nổ từ một đầu, ống thép sẽ bị ép từ một đầu vào đầu kia trong chớp mắt; than chì bên trong ống thép sẽ bị nén lên đến khoảng 200.000 atm và được làm nóng lên trên 1.000 độ C khi sóng xung kích đi qua. Do áp suất cực cao, số lượng hạt nhân kim cương hình thành rất nhiều, trong vài micro giây, một phần than chì sẽ chuyển hóa thành các tinh thể kim cương siêu nhỏ có kích thước khoảng 1-20 nanomet (chứa từ vài nghìn đến vài triệu nguyên tử). Các tinh thể siêu nhỏ này sẽ kết dính lại với nhau thành bột kim cương siêu mịn có kích thước micromet. Bằng phương pháp này, mỗi lần có thể sản xuất được vài kg bột kim cương siêu mịn. Sau khi sóng xung kích đi qua, áp suất sẽ giảm đột ngột. Nếu lúc này nhiệt độ vẫn cao, kim cương được tạo ra sẽ ngay lập tức biến thành cặn carbon vô định hình. Do than chì được trộn lẫn với một lượng lớn hạt đồng để làm bộ tản nhiệt (Heat Sink), nên bột kim cương siêu mịn được tạo ra có thể được làm nguội nhanh chóng, tránh bị cacbon hóa. Loại bột kim cương siêu mịn này sau khi trải qua quá trình tẩy axit để loại bỏ kim loại, sẽ được oxy hóa than chì bằng PbO ở 400°C. Sau đó, qua quá trình rửa sạch và phân loại, sản phẩm sẽ mang thương hiệu Mypolex. Nguyên liệu cho phương pháp tổng hợp bằng sóng xung phải được xử lý bằng ép tĩnh lạnh trước để làm cho nó đặc chắc. Nếu có quá nhiều lỗ rỗng, áp suất sau khi nén bằng sóng xung sẽ không đủ, và nhiệt độ quá cao sẽ không thể đạt đến vùng ổn định của kim cương, do đó khó có thể tổng hợp được kim cương. Kim cương Mypolex là tinh thể đa tinh thể chứa nhiều khuyết tật. Do đó, diện tích bề mặt riêng của nó lớn gấp khoảng ba lần so với tinh thể đơn tinh thể được nghiền mịn cùng kích thước, nên có thể hấp thụ nhiều tạp chất hơn. Tuy nhiên, do hình dạng giống khoai tây, không có các góc cạnh sắc nhọn thường thấy ở kim cương đơn tinh thể, nên khi đánh bóng sẽ không làm trầy xước vật liệu nền. Khi đánh bóng các chi tiết có độ cứng mềm xen kẽ, nó cũng không gây ra các vết lõm nhỏ. Đặc biệt hơn nữa, bột đa tinh thể có thể vỡ ra dần dần, làm giảm diện tích tiếp xúc tại điểm cắt. Đặc tính tự mài sắc này sẽ làm giảm công suất đánh bóng, nhưng tốc độ lại cao hơn. Do đó, bột đa tinh thể vừa có hiệu quả mài mòn của hạt lớn vừa có chất lượng đánh bóng của hạt nhỏ.
Cấu trúc graphit có thể chuyển đổi trực tiếp thành kim cương phải là cấu trúc lục giác (Hexagonal) hoặc lăng trụ (Rhombohedral). Cấu trúc lục giác có trình tự AAA, có thể chuyển đổi thành kim cương lục giác (Lonsdaleite); còn cấu trúc lăng trụ có trình tự ABC, có thể hình thành kim cương lập phương. Phần lớn graphit thông thường có trình tự ABA… do đó không thể chuyển đổi trực tiếp thành kim cương. Tuy nhiên, bên trong nó cũng chứa một lượng nhỏ (10%) graphite hình thoi. Tỷ lệ chuyển đổi kim cương tổng hợp bằng sóng xung kích thấp là do bị giới hạn bởi hàm lượng graphite hình thoi. Do tỷ lệ chuyển đổi thấp, cộng với quy trình phân loại bột mịn bằng axit phức tạp, nên chi phí sản xuất kim cương bằng phương pháp nổ rất cao, giá thường gấp hơn bốn lần so với bột mịn kim cương đơn tinh thể nghiền nhỏ. Do đó, mặc dù kim cương đa tinh thể sản xuất bằng phương pháp nổ có thể được mài bóng ở tốc độ cao mà không lo trầy xước vật liệu gia công, nhưng hiện nay nó chỉ được sử dụng trong các ứng dụng mài bóng chính xác như tạo vân trên đĩa cứng, làm phẳng bề mặt đầu đọc từ hoặc mài bóng cao cấp (như đá quý hoặc wafer). Lượng tiêu thụ hàng năm trên toàn cầu khoảng 1 tấn, với giá trị sản xuất khoảng 10 triệu đô la Mỹ.
