Kim cương luôn được biết đến là vật chất cứng nhất trong tự nhiên, nhưng danh hiệu này có thể sắp bị lật đổ. Một nhóm nghiên cứu Trung Quốc gần đây đã công bố một bài báo trên tạp chí Nature (Nature).Một nghiên cứu đột phá đã được công bố trên tạp chí, tổng hợp thành công vật liệu carbon về mặt lý thuyết cứng hơn kim cương tới 60%.Thành tựu này không chỉ thách thức những quan niệm thông thường mà còn mở ra hướng đi mới cho các vật liệu siêu cứng trong tương lai và các ứng dụng công nghệ cao.
Mục lục
Sự khác biệt giữa kim cương và kim cương lục giác: Cấu trúc lập phương so với lục giác
Kim cương truyền thống có cấu trúc mạng lập phương, với mỗi nguyên tử carbon tạo thành liên kết cộng hóa trị sp³ ổn định với bốn nguyên tử carbon liền kề, tạo nên mạng lưới tứ diện vững chắc. Sự sắp xếp này mang lại cho kim cương độ cứng vượt trội và các tính chất vật lý tuyệt vời.
Tuy nhiên, ngay từ 60 năm trước, các nhà khoa học đã dự đoán một dạng cấu trúc carbon khác – kim cương lục giác.Cấu trúc mạng lục giác của nó, không giống như kim cương khối, về mặt lý thuyết mang lại những tính chất cơ học vượt trội, nhưng rất khó để tổng hợp nó ở dạng tinh khiết.
Natural HD: Bằng chứng từ không gian
Trong tự nhiên, các nhà khoa học đã phát hiện ra dấu vết của kim cương lục giác tại các địa điểm va chạm thiên thạch. Ví dụ, Lonsdaleite, một dạng HD tự nhiên, được tìm thấy trong miệng núi lửa Diablo ở Arizona, Hoa Kỳ. Những khoáng chất này thường được hình thành trong môi trường nhiệt độ và áp suất cao được tạo ra khi thiên thạch va chạm với than chì.
Tuy nhiên, các mẫu tự nhiên này thường được trộn lẫn với các pha cacbon khác, chẳng hạn như than chì và kim cương khối, có các hạt cực nhỏ và độ tinh khiết rất thấp, khiến chúng không thể sử dụng trong các lĩnh vực khoa học vật liệu thực tế.
Đột phá nghiên cứu: Tổng hợp thành công kim cương lục giác nguyên chất
Sau tám năm thử nghiệm nhiều lần, một nhóm nghiên cứu tại Trung tâm nghiên cứu khoa học áp suất cao Bắc Kinh cuối cùng đã tổng hợp được một khối tinh thể HD có độ tinh khiết gần 100%. Với đường kính 1 mm và dày 70 micron, đây là mẫu thử nghiệm lớn nhất và tinh khiết nhất cho đến nay.
Các nhà nghiên cứu đã chọn tinh thể than chì đơn chất lượng cao làm nguyên liệu thô Áp dụng điều kiện áp suất cực kỳ đồng đều và nhiệt độ cao trong các ô đe kim cương (DAC) đặc biệt và máy ép nhiều đe để mô phỏng môi trường va chạm thiên thạch, trong khi cấu trúc được xác nhận bằng kỹ thuật kính hiển vi điện tử và máy gia tốc synchrotron.Đây là lần đầu tiên tinh thể HD mm có cấu trúc hoàn chỉnh là được sản xuất thành công trong môi trường trong nhà.
Bí mật của cấu trúc phân tử: liên kết giữa các lớp mạnh hơn
Sử dụng các kỹ thuật tiên tiến như quang phổ Raman và quang phổ hồng ngoại, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng tất cả các liên kết cacbon trong cấu trúc HD đều là liên kết sp³ σ.Không có liên kết sp² π hoàn toàn (đặc trưng của than chì).Điều đáng chú ý là độ dài liên kết của một loại liên kết giữa các lớp của cấu trúc HD ngắn hơn đáng kể so với ba loại liên kết còn lại. Điều này cho thấy lực liên kết giữa các lớp mạnh hơn và là một trong những lý do chính tạo nên độ cứng cao của nó.
Trong thử nghiệm độ cứng Vickers, HD cho thấy giá trị , cao hơn đáng kể so với khả năng chống biến dạng dẻo của kim cương truyền thống là, chứng tỏ tính chất siêu cứng của nó không chỉ tồn tại trên lý thuyết mà còn có thể được xác nhận thông qua các thí nghiệm.
Các ứng dụng tiềm năng của HD: từ công cụ khoan đến công nghệ lượng tử
Nếu vật liệu HD có thể được sản xuất với khối lượng lớn hơn và dày hơn trong tương lai, tiềm năng ứng dụng của chúng sẽ rất lớn. Đầu tiên, chúng có thể được sử dụng làm vật liệu dụng cụ siêu cứng trong khoan địa nhiệt, khai thác khoáng sản sâu và các bộ phận cơ khí có khả năng chống mài mòn cao.
Ngoài ra, nhờ độ ổn định cơ học cao và cấu trúc sp³ hoàn hảo, HD cũng có thể đóng vai trò quan trọng trong các công nghệ tiên tiến như thiết bị máy tính lượng tử, hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) và linh kiện điện tử tần số cao.
Không chỉ là kim cương: Một cột mốc trong khoa học và tương lai của vật liệu
Tên kim cương bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “adámas”, có nghĩa là “bất khả chiến bại”. Việc phát hiện ra kim cương lục giác có thể định nghĩa lại hiểu biết của chúng ta về “chất cứng nhất”. Đây không chỉ là một cột mốc trong khoa học vật liệu mà còn tượng trưng cho một bước đột phá khác trong khả năng của con người trong việc thách thức giới hạn của thiên nhiên.
Bằng cách tối ưu hóa hơn nữa các điều kiện quy trình, tăng độ tinh khiết của tiền chất và điều chỉnh các thông số như áp suất và nhiệt độ, người ta hy vọng rằng việc sản xuất vật liệu carbon này trên quy mô lớn cứng hơn kim cương sẽ khả thi trong tương lai, đặt nền tảng vững chắc hơn cho các ngành công nghiệp công nghệ cao và kỷ nguyên lượng tử.
Tài liệu tham khảo:
- Thiên nhiên (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09343-x
- Cứng hơn kim cương 60%, các nhà khoa học tổng hợp thành công kim cương lục giác khối
- Các nhà khoa học thiết kế siêu kim cương với cấu trúc tinh thể lục giác được dự đoán theo lý thuyết
Về mài mòn: Chúng tôi cung cấp các điều chỉnh tùy chỉnh để điều chỉnh tỷ lệ theo nhu cầu gia công, nhằm đạt hiệu quả tối đa.
Hãy liên hệ với chúng tôi, sẽ có chuyên gia hỗ trợ giải đáp cho bạn.
Nếu cần báo giá tùy chỉnh, hãy liên hệ với chúng tôi.
Thời gian hỗ trợ khách hàng: Thứ Hai đến Thứ Sáu, từ 09:00 đến 18:00.
phone：07 223 1058
Nếu có chủ đề muốn tìm hiểu hoặc không thể nói rõ qua điện thoại, hãy nhắn tin trực tiếp qua Facebook nhé~~
honway fb：https://www.facebook.com/honwaygroup
Các bài viết mà bạn có thể quan tâm…
[wpb-random-posts]
