Kim cương nhân tạo mới có độ bền gấp 5 lần kim cương tự nhiên

Một nhóm nghiên cứu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Đại học Hàng không Vũ trụ Bắc Kinh đã tìm ra phương pháp cải thiện đáng kể độ bền của kim cương nhân tạo. Theo nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Synthesis, vật liệu mới có khả năng chống lực tác động gây nứt vỡ cao gấp khoảng 5 lần kim cương tự nhiên, nhưng độ cứng gần như không thay đổi.

Thay vì thay đổi cấu trúc nguyên tử vốn có của kim cương, các nhà khoa học tạo một mạng lưới ống nano carbon 3D bên trong vật liệu. Cấu trúc này giúp kim cương nhân tạo vừa giữ được độ cứng cao, vừa hạn chế điểm yếu cố hữu là tính giòn.

Tạo "bộ khung" bên trong kim cương

Độ cứng nổi tiếng của kim cương đến từ các liên kết carbon, nhưng chính cấu trúc này cũng khiến vật liệu dễ bị nứt vỡ khi chịu tác động mạnh tại một điểm yếu. Những nghiên cứu trước đây từng tìm cách điều chỉnh cấu trúc vi mô để cải thiện độ bền, song thường phải đánh đổi bằng việc làm giảm độ cứng.

Nhóm nghiên cứu do Jiawei Zhang, Keliang Qiu và Xiaohui Yu thực hiện đã lựa chọn hướng tiếp cận khác. Họ sử dụng các ống nano carbon nhiều lớp (MWCNT) để hình thành một mạng lưới 3D liên tục bên trong kim cương.

MWCNT có kích thước cực nhỏ, chỉ khoảng 1/10.000 chiều rộng sợi tóc người và sở hữu độ bền kéo lớn hơn hàng chục lần so với thép. Tuy nhiên, những nỗ lực trước đó khi đưa loại ống nano này vào gốm hoặc kim loại chưa đạt hiệu quả do sự tiếp xúc giữa hai vật liệu không đủ chặt, khiến lực không thể truyền tải hiệu quả.

Để khắc phục vấn đề, các nhà khoa học Trung Quốc trộn kỹ bột kim cương với ống nano carbon, sau đó xử lý hỗn hợp ở nhiệt độ khoảng 2.000 độ C dưới áp suất lên tới 15 gigapascal (GPa). Mức áp suất này tương đương khoảng 150.000 lần áp suất khí quyển.

Điều kiện được kiểm soát để hai vật liệu có thể hợp nhất mà không khiến ống nano carbon biến thành kim cương hoặc hỗn hợp chuyển thành graphite.

Kết quả là mạng lưới ống nano vẫn duy trì hình dạng sợi, đồng thời tạo ra các liên kết hóa học mạnh với kim cương ở cấp độ nguyên tử. Các nhà nghiên cứu ví cấu trúc này như những thanh cốt thép nằm bên trong bê tông, tạo thành mạng lưới liên tục giữa các hạt kim cương và liên kết trực tiếp với nhau.

Chặn đường lan của vết nứt

Cấu trúc mới giúp phân tán ứng suất cơ học trên toàn bộ vật liệu thay vì để lực tập trung tại một điểm. Khi xuất hiện vết nứt, mạng lưới ống nano carbon có thể kéo vết nứt theo nhiều hướng, hấp thụ năng lượng và hạn chế quá trình nứt vỡ lan rộng.

Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy vật liệu đạt độ cứng khoảng 91,6 GPa, tương đương kim cương đơn tinh thể thông thường. Trong khi đó, độ bền đạt 36,4 MPa.m1/2, cao gấp 5-6 lần so với hợp kim tungsten.

Nhờ kết hợp được độ cứng đặc trưng của kim cương với khả năng chống nứt tốt hơn, vật liệu mới được đánh giá có thể mở ra nhiều hướng ứng dụng trong công nghiệp.

Các nhà nghiên cứu đề cập đến khả năng sử dụng loại kim cương nhân tạo này để chế tạo công cụ cắt siêu cứng phục vụ gia công kim loại và gốm, mũi khoan địa chất hay các bộ phận dùng trong ngành hàng không vũ trụ.

Đối với những ứng dụng vốn phụ thuộc vào kim cương như cắt, khoan và mài chính xác, độ giòn luôn là hạn chế đáng kể. Nếu duy trì được độ cứng của kim cương nhưng đồng thời cải thiện đáng kể khả năng chống va đập và nứt gãy, vật liệu mới có thể giúp mở rộng phạm vi ứng dụng của kim cương trong các lĩnh vực công nghiệp đòi hỏi độ bền cao.