Các nhà khoa học Trung Quốc sử dụng mạng lưới ống nano carbon để tạo ra cấu trúc hỗ trợ bên trong giúp vật liệu bền hơn gấp 5 lần kim cương tự nhiên.
Theo SCMP, nhóm nghiên cứu đến từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Đại học Hàng không Vũ trụ Bắc Kinh tìm ra giải pháp giúp độ bền (khả năng chống lực tác động mạnh gây nứt vỡ) của kim cương nhân tạo tăng gấp 5 lần mà vẫn giữ được độ cứng không khác biệt so với kim cương tự nhiên. Trong bài báo công bố trên tạp chí Nature Synthesis, họ lồng ghép mạng lưới ống nano carbon 3D vào bên trong cấu trúc kim cương, tạo ra vật liệu tổng hợp thậm chí còn bền hơn hợp kim tungsten sử dụng trong đạn xuyên giáp.
Điểm yếu của kim cương nằm ở độ giòn. Các liên kết carbon giống nhau mang lại độ cứng cho kim cương nhưng cũng tạo ra cấu trúc kém linh hoạt. Chỉ cần một cú đánh chính xác vào mặt cắt yếu đã đủ làm vỡ viên đá. Trước đây, giới nghiên cứu tìm cách điều chỉnh cấu trúc vi mô bên trong kim cương để cải thiện độ bền, nhưng lại làm giảm độ cứng.
Thay vì sắp xếp lại cấu trúc nguyên tử của kim cương, nhóm nghiên cứu của Jiawei Zhang, Keliang Qiu, và Xiaohui Yu sử dụng mạng lưới 3D liền mạch xếp từ ống nano carbon nhiều lớp (MWCNT). Ống nano carbon nhiều lớp cực kỳ nhỏ, chỉ bằng 1/10.000 chiều rộng sợi tóc người, do đó không thể quan sát dưới bất kỳ kính hiển vi quang học nào. Độ bền kéo của nó lớn hơn hàng chục lần so với thép.
Nỗ lực trước đây nhằm tích hợp ống nano carbon vào gốm hoặc kim loại không thành công vì MWCNT và vật liệu nền chỉ tiếp xúc lỏng lẻo nên không thể truyền lực hiệu quả hoặc chịu áp lực. Các nhà nghiên cứu Trung Quốc bắt đầu từ việc trộn kỹ bột kim cương với ống nano. Tiếp theo, họ để hỗn hợp trải qua nhiệt độ 2.000 độ C và áp suất cực cao lên tới 15 gigapascal (GPa), gấp khoảng 150.000 lần áp suất khí quyển. Áp suất này đủ cao để hợp nhất hai vật liệu nhưng không quá cao đến mức biến ống nano carbon thành kim cương hoặc quá thấp để hỗn hợp bột trở thành graphite.
Kết quả thu được là mảng ống nano giữ nguyên hình dạng sợi đồng thời hình thành liên kết hóa học mạnh với kim cương ở cấp độ nguyên tử. Theo nhóm nghiên cứu, ống nano hoạt động như thanh cốt thép trong bê tông, tạo thành mạng lưới 3D liên tục giữa những hạt kim cương nhưng chúng cũng liên kết trực tiếp với nhau.
Bề mặt tiếp xúc giữa ống nano carbon và kim cương phân phối ứng suất cơ học trên toàn bộ vật liệu thay vì tập trung tại một điểm nứt duy nhất. Vô số ống nano kéo vết nứt từ mọi hướng, hấp thụ một lượng lớn năng lượng và ngăn chặn đường nứt vỡ chạy tự do. Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy vật liệu có độ cứng khoảng 91,6 GPa, tương đương kim cương đơn tinh thể thông thường và độ bền lên đến 36,4 MPa.m1/2, gấp 5-6 lần so với hợp kim tungsten.
Nhóm nghiên cứu Trung Quốc tạo ra kim cương nhân tạo với độ bền cao hơn hẳn kim cương đơn tinh thể trong tự nhiên nhưng không làm giảm độ cứng. Ảnh: Britannica
Theo Interesting Engineering, các ứng dụng tiềm năng của loại kim cương nhân tạo mới rất rộng, từ công cụ cắt siêu cứng để gia công kim loại và gốm đến mũi khoan địa chất và sản xuất bộ phận hàng không vũ trụ. Phần lớn ứng dụng công nghiệp của kim cương hiện nay như công cụ cắt, thiết bị khoan, mài chính xác buộc phải chấp nhận hạn chế về độ giòn. Trong khi đó, những bộ phận hàng không vũ trụ đối mặt với thách thức về khả năng chống va đập và mài mòn. Một vật liệu duy trì được độ cứng của kim cương trong khi đạt khả năng chống nứt gãy của hợp kim kim loại có thể mở rộng đáng kể tiềm năng hoạt động của những ứng dụng trên.
An Khang tổng hợp