Nếu hỏi hầu hết mọi người chất liệu cứng nhất trên Trái Đất là gì và có lẽ họ sẽ trả lời rằng đó là “kim cương”. Cái tên này bắt nguồn từ từ “ἀδάμας” (adámas) trong tiếng Hy Lạp, có nghĩa là “không thể phá vỡ” hoặc “bất khả chiến bại”, và đây cũng là nguồn gốc của từ tiếng Anh “adamant” (chỉ người cương nghị, sắt đá không lay chuyển). Sự cứng chắc của kim cương đã ban cho nó một khả năng cắt gọt kỳ diệu. Cùng với với vẻ đẹp vốn có của nó, kim cương đã trở thành món đồ được ưa chuộng trong hàng nghìn năm qua.
Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà khoa học hiện đại đã bỏ công tìm kiếm một loại vật liệu rẻ hơn, cứng chắc hơn và thực dụng hơn kim cương, và cứ khoảng vài năm, các kênh thông tin lại công bố sự xuất hiện của một “loại chất liệu mới cứng nhất trên thế giới”. Nhưng liệu có bất kỳ chất liệu nào trong số đó đạt tiêu chuẩn?
Tuy có một sức lôi cuốn đặc biệt, nhưng kim cương chỉ đơn giản là một dạng đặc thù, hay một “dạng thù hình” của cacbon. Có một vài dạng thù hình thuộc nhóm nguyên tố cacbon như: ống nano cacbon; cácbon vô định hình; kim cương và than chì. Tất cả chúng đều được cấu thành từ các nguyên tử cácbon, nhưng hình thức liên kết nguyên tử giữa chúng lại khác nhau, tạo nên những cấu trúc và tính chất vật liệu khác nhau.
Lớp vỏ của mỗi nguyên tử cácbon có chứa 4 electron. Trong cấu trúc kim cương, 4 electron này được liên kết với 4 nguyên tử cácbon khác để hình thành nên các liên kết hóa học cực kỳ bền chắc, từ đó tạo ra một khối tinh thể tứ diện cực kỳ cứng chắc. Chính cấu trúc đơn giản, nhưng được liên kết chặt chẽ này đã khiến kim cương trở thành một trong những vật chất cứng chắc nhất trên Trái Đất.
Rốt cuộc kim cương cứng đến đâu?
Độ cứng là một thuộc tính quan trọng của các loại chất liệu, và thường được dùng để xác định công dụng của chúng; tuy nhiên đây cũng là một khái niệm rất khó định nghĩa. Đối với các khoáng chất, độ cứng mòn (scratch hardness) là chỉ số đo lường mức độ chống chịu của vật liệu khi bị bào mòn bởi một khoáng chất khác.
Có một vài cách thức đo lường độ cứng, nhưng thông thường người ta sử dụng một dụng cụ cơ khí để tạo ra một vết xước trên bề mặt chất liệu [được đo lường độ cứng]. Tỷ lệ giữa diện tích bề mặt vết xước và cường độ lực tác động để tạo ra vết xước đó sẽ cho ra một giá trị độ cứng, điều chúng ta muốn tính toán. Chất liệu càng cứng thì giá trị đó càng cao. Phương pháp đo độ cứng Vickers sử dụng một mũi kim cươngcó đế vuông, đỉnh hình kim tự tháp để tạo ra vết xước.
Cái đe gắn kim cương trong phương pháp đo độ cứng Vickers. (Ảnh: R. Tanaka, CC BY 3.0)
Thép mềm có giá trị độ cứng Vickers vào khoảng 9 GPa trong khi kim cương có giá trị độ cứng Vickers vào khoảng 70–100 GPa. Khả năng chống mài mòn của kim cương đã trở thành huyền thoại. Ngày nay, 70% lượng kim cương trên thế giới sẽ được tìm thấy thấy trong những lớp phủ chống mài mòn bọc bên ngoài các công cụ cắt, khoan và nghiền, hoặc làm thành chất phụ gia cho các vật liệu mài mòn.
Tuy nhiên, nhược điểm của kim cương nằm ở chỗ, tuy rằng nó có thể rất cứng chắc, nhưng thật đáng ngạc nhiên rằng nó cũng rất bất ổn định. Khi kim cương được nung nóng trong không khí vượt quá mức nhiệt độ 800℃, các tính chất hóa học của nó sẽ thay đổi, ảnh hưởng đến độ bền và sẽ cho phép nó xuất hiện phản ứng với sắt, khiến nó không còn phù hợp cho việc gia công thép.
Những nhược điểm này của kim cương đã dẫn đến nhu cầu ngày một gia tăng của việc phát triển những chất liệu mới, siêu cứng chắc, và có tính chất hóa học ổn định để thay thế nó. Các lớp phủ chống mài mòn tốt hơn giúp tăng tuổi thọ sử dụng của các dụng cụ công nghiệp, đồng thời giảm thiểu nhu cầu sử dụng các hóa chất làm lạnh có thể độc hại đối với môi trường. Cho đến nay, các nhà khoa học đã đưa ra một số đối thủ tiềm năng có khả năng thế chỗ kim cương.
Boron Nitrít
Chất liệu tổng hợp boron nitrít (BN), được tổng hợp lần đầu vào năm 1957, giống cácbon ở chỗ nó cũng có nhiều dạng thù hình. Ở dạng hình khối (c-BN) nó sẽ có cùng cấu trúc tinh thể như kim cương, nhưng thay vì các nguyên tử cácbon, nó được cấu thành từ các nguyên tử boron và nitơ liên kết với nhau theo dạng luân phiên xen kẽ. C-BN có tính chất hóa nhiệt ổn định, và ngày nay thường được sử dụng như một lớp phủ công cụ cơ khí siêu cứng trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không.
Nhưng boron nitrít dạng khối cũng chỉ là chất liệu cứng chắc thứ hai trên thế giới với độ cứng Vickers vào khoảng 50 GPa. Dạng thù hình lục giác (w-BN) của nó ban đầu được báo cáo có độ cứng thậm chí còn lớn hơn; nhưng những kết quả này chỉ được dựa trên những mô phỏng mang tính lý thuyết thuần túy, trong đó dự đoán rằng độ cứng mòn của nó cao hơn 18% so với kim cương. Đáng tiếc rằng w-BN là vô cùng hiếm gặp trong tự nhiên và rất khó để có thể tổng hợp một lượng w-BN vừa đủ cho việc kiểm định giả thuyết này bằng thực nghiệm.
Kim cương tổng hợp
Kim cương tổng hợp, còn gọi là kim cương nhân tạo, cũng đã xuất hiện từ những thập niên 50 của thế kỷ trước, và thường được nhìn nhận là cứng chắc hơn kim cương tự nhiên do có một cấu trúc tinh thể khác biệt. Loại kim cương này có thể được tạo ra bằng cách tác động một áp suất lớn và nhiệt độ cao lên than chì để thúc đẩy việc tái tổ hợp cấu trúc của nó thành kim cương tứ diện, nhưng đây là một quá trình lâu dài và tốn kém. Một phương pháp khác là tổ hợp kim cương tổng hợp từ các nguyên tử cácbon thu thập từ khí hidrôcácbon được hun nóng, nhưng số lượng các loại chất nền chúng ta có thể sử dụng là có giới hạn.
Hình phóng đại thành phần bên trong của kim cương tổng hợp. (Ảnh: Instytut Fizyki Uniwersytet Kazimierza Wielkiego, CC-SA 4.0)
Quá trình tổng hợp kim cương sẽ tạo ra những viên đá đa tinh thể được cấu thành từ những tinh thể còn nhỏ hơn, với kích thước vài micrôn xuống đến chỉ vài nanômét. Điều này là trái ngược với các tinh thể đơn lớn hơn trong hầu hết các loại kim cương tự nhiên được sử dụng làm đồ trang sức. Hạt tinh thể càng nhỏ thì biên giới giữa các hạt càng nhiều và chất liệu được tổng hợp từ chúng càng cứng chắc. Những nghiên cứu gần đây về một số loại kim cương tổng hợp cho thấy nó có độ cứng lên đến 200 GPa theo phương pháp đo độ cứng Vickers.
Q-cácbon
Gần đây, các nhà khoa học từ trường Đại học bang North Carolina ở Mỹ đã tạo ra “một dạng thù hình mới của cácbon”, khác biệt so với các dạng thù hình khác, và được cho là cứng hơn kim cương. Dạng thù hình mới này được tạo ra bằng cách đốt nóng cácbon phi tinh thể bằng xung laser cường độ cao lên đến 3.700℃ trong thời gian cực nhanh (khoảng 200 nanô giây) rồi nhanh chóng làm mát hay làm nguội (quench) nó — do đó mới có cái tên “Q-cácbon” — để hình thành nên các hạt kim cương có kích cỡ micron (µm).
Ảnh chụp thông qua kính hiển vi của một lớp Q-cácbon mỏng, với các hạt nanô kim cương rải rác bên trong. (Ảnh: extremetech.com)
Các nhà khoa học phát hiện thấy Q-cácbon cứng chắc hơn 60% so với cácbon dạng kim cương (một dạng cácbon vô định hình với các tính chất tương tự kim cương). Điều này khiến các nhà khoa học kỳ vọng rằng Q-cácbon cũng sẽ cứng hơn kim cương, tuy nhiên điều này vẫn chưa được kiểm chứng qua thực nghiệm. Q-cácbon còn có các tính chất kỳ lạ khác như có từ tính và phát sáng khi tiếp xúc với ánh sáng. Tuy nhiên cho đến nay công dụng chính của Q- cácbon chỉ là một bước trung gian trong quá trình chế tạo các hạt kim cương tổng hợp vi tiểu tại mức áp suất và nhiệt độ thông thường. Những hạt nano kim cương này là quá nhỏ để có thể chế tác đồ trang sức nhưng lại rất lý tưởng để làm chất liệu bao phủ giá rẻ cho các công cụ cắt gọt và đánh bóng.
Tác giả: Paul Coxon, The Conversation.
Đăng tải với sự cho phép. Đọc bản gốc tại đây.
Thạch Khánh biên dịch
Xem thêm: