Đột Phá Công Nghệ Trong Ngành Kim Cương: Vật Liệu Mới Bền Gấp 6 Lần

Trong môi trường nghiên cứu vật liệu, một nhóm các nhà khoa học từ Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Đại học Hàng không Vũ trụ Bắc Kinh đã công bố một phát minh đột phá trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature Synthesis. Thành tựu này đã mở ra triển vọng mới cho việc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất công nghiệp cho đến các công nghệ tiên tiến trong hàng không vũ trụ.

Kim cương vốn được biết đến là vật liệu tự nhiên cứng nhất ở Trái Đất, nhưng vẫn tồn tại những hạn chế. Mặc dù khả năng chống trầy xước của kim cương là rất tốt, nhưng bản chất của nó khiến kim cương khá dễ vỡ. Chỉ cần một lực tác động phối hợp đúng hướng có thể khiến nó nứt gãy như thủy tinh.

Trong suốt nhiều năm qua, các nhà nghiên cứu đã cố gắng tìm kiếm những phương pháp nhằm gia tăng độ bền cho kim cương mà không làm giảm đi độ cứng đặc trưng của nó. Tuy nhiên, cải thiện một thuộc tính thường phải đánh đổi với thuộc tính khác.

Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu này đã tìm ra một hướng tiếp cận mới, cho phép nâng cao độ dai va đập của kim cương lên từ 5 đến 6 lần mà vẫn giữ nguyên độ cứng vốn có. Sự nghiên cứu này được hỗ trợ từ Cơ sở nghiên cứu điều kiện khắc nghiệt Huairou ở Bắc Kinh, nơi giúp các nhà khoa học thực hiện thử nghiệm vật liệu trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cực kỳ khắc nghiệt nhằm phát triển các vật liệu mới có hiệu suất cao.

Vật liệu mới này đã cho thấy khả năng chống nứt tốt hơn nhiều so với nhiều hợp kim vonfram, vốn thường được sử dụng trong các ứng dụng chịu tải lớn và sản xuất đạn xuyên giáp.

Bí quyết thành công đến từ việc kết hợp các ống nano carbon đa thành (Multi-Walled Carbon Nanotubes – MWCNT) vào cấu trúc của kim cương. Những ống nano carbon này có đường kính chỉ bằng khoảng 1/10.000 sợi tóc người, nhưng lại sở hữu độ bền kéo cao gấp hàng chục lần so với thép.

Trước đây, nhiều nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm kết hợp ống nano carbon với kim loại hoặc gốm kỹ thuật nhưng chưa mang lại hiệu quả cao do liên kết giữa các vật liệu thường rất yếu. Tuy nhiên, trong nghiên cứu lần này, nhóm khoa học đã quyết định trộn đều bột kim cương siêu mịn với các ống nano carbon, rồi đưa hỗn hợp vào một môi trường chịu nhiệt độ khoảng 2.000 độ C và áp suất lên tới 15 gigapascal, tương đương với 150.000 lần áp suất khí quyển.

Áp suất này được tính toán rất chính xác, nếu quá cao sẽ khiến các ống nano carbon chuyển hóa thành kim cương, trong khi nếu quá thấp thì carbon có thể chuyển sang than chì, làm giảm chất lượng vật liệu. Kết quả đạt được là các ống nano carbon giữ nguyên cấu trúc của chúng và hình thành các liên kết hóa học bền vững với kim cương ở cấp độ nguyên tử.

Nhóm nghiên cứu cho biết, mạng lưới này hoạt động tương tự như cốt thép trong bê tông cốt thép. Các ống nano carbon tạo nên một hệ thống gia cường ba chiều, liên kết các hạt kim cương và giúp phân tán ứng suất khi có lực tác động lên vật liệu.

Thông qua các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, vật liệu mới đã đạt độ cứng khoảng 91,6 gigapascal (GPa), tương đương với kim cương đơn tinh thể thông thường. Trong khi đó, độ dai phá hủy của nó đạt tới 36,4 MPa√m, cao gấp 5 đến 6 lần so với kim cương truyền thống và vượt qua nhiều hợp kim vonfram hiện tại.

Để hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi điện tử để quan sát quá trình hình thành và lan truyền các vết nứt. Ở kim cương thông thường, các vết nứt thường phát triển theo hướng thẳng, khiến vật liệu nhanh chóng bị phá hủy giống như khi một miếng kính bị vỡ.

Ngược lại, trong vật liệu mới, các ống nano carbon hoạt động như những dây neo. Chúng kéo căng, bẻ hướng và phân tán các vết nứt ra nhiều hướng khác nhau, hấp thụ phần lớn năng lượng va đập trước khi vết nứt có thể lan rộng. Chính cơ chế này giúp vật liệu có khả năng chống nứt rất tốt, đồng thời vẫn duy trì được độ cứng đặc trưng của kim cương.

Nghiên cứu này mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp, bao gồm chế tạo các lưỡi cắt siêu cứng dùng trong gia công kim loại và gốm kỹ thuật, đầu khoan địa chất cho những môi trường khắc nghiệt, hoặc các linh kiện chịu mài mòn cao. Trong ngành hàng không vũ trụ, loại vật liệu này cũng được kỳ vọng sẽ được sử dụng trong các chi tiết đòi hỏi sự kết hợp giữa độ cứng và khả năng chịu va đập mạnh.

Theo SCMP