Trung Quốc đang phát triển loại thủy tinh cứng như kim cương

Sử dụng kim cương để cắt thủy tinh vốn không phải điều gì xa lạ, nhưng một nhóm nghiên cứu ở miền Bắc Trung Quốc gần đây đã phát triển loại vật liệu thủy tinh cứng nhất thế giới có thể để lại một vết xước sâu trên bề mặt kim cương một cách dễ dàng.

Một mảnh kính AM-III rộng 1mm đã làm xước bề mặt của một viên đá kim cương tự nhiên (ảnh: National Science Review)

Được đặt tên dự kiến là AM-III, một vật liệu trong suốt, hơi ngả vàng được chế tạo hoàn toàn bằng carbon, đạt 113 gigapascal (GPa) trong bài kiểm tra độ cứng Vickers. Để tiện so sánh, môt viên kim cương tự nhiên thường đạt điểm số từ 50 đến 70, với một số viên nhân tạo sẽ vươn lên mức 100 GPa.

Mặc dù phải mất nhiều năm nữa để sản xuất hàng loạt, đồng thời giá cả cũng không hề rẻ, nhưng tấm kính chống đạn được làm bằng AM-III có thể cứng hơn từ 20 đến 100 lần so với một số dòng sản phẩm phổ thông hiện đang được sử dụng.

Các nhà nghiên cứu cho biết vật liệu thủy tinh trông không được hấp dẫn như đồ trang sức, nhưng có nhiều ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp công nghệ cao. Ví dụ, AM-III là một chất bán dẫn đạt hiệu quả gần như silicon.

Khả năng truyền dẫn điện theo ý muốn khiến nó trở thành một ứng cử viên "nặng ký" để ứng dụng cho các thiết bị quang điện, bao gồm cả vũ khí, yêu cầu hoạt động trong môi trường khắc nghiệt như áp suất và nhiệt độ cao.

Giáo sư Tian Yongjun và các đồng nghiệp thuộc Trung tâm Khoa học áp suất cao thuộc Đại học Yanshan ở Qinhuangdao, tỉnh Hà Bắc cho biết: "Sự xuất hiện của loại vật liệu carbon vô định hình bán dẫn siêu cứng, siêu bền này mang đến những ứng cử viên xuất sắc dành cho các ứng dụng thực tế khắt khe nhất".

Kim cương là một tinh thể.;Trong tinh thể, các nguyên tử và phân tử sắp xếp theo thứ tự và các hướng chuẩn xác. Nhưng nếu có quá nhiều thứ tự và các hướng sắp xếp, cấu trúc bên trong sẽ biến thành một mớ hỗn độn và vật liệu trở thành thủy tinh.

Nhìn chung, thủy tinh khá mỏng manh. Nhưng AM-III không hoàn toàn là một mảnh thủy tinh mà là một loại thủy tinh có các tinh thể bên trong, Tian và các đồng nghiệp cho biết.

Dưới kính hiển vi, các cấu trúc chi tiết nhất của vật liệu xuất hiện theo thứ tự, giống như các tinh thể. Nhưng phóng to một chút sẽ nhìn thấy đó là một mớ hoàn toàn hỗn độn, trông giống như vô số con sâu bị đông cứng trong một cái đĩa.

Theo các nhà nghiên cứu, sự kết hợp giữa trật tự và vô trật tự này có thể khiến vật chất sở hữu một số đặc điểm bất thường. Họ đã sản xuất nhiều loại vật liệu mới với sự kết hợp trật tự khác nhau. AM-III có tỷ lệ sắp xếp nguyên tử và phân tử cao nhất, đạt được độ bền cao nhất.

Kim cương là tinh thể, trong đó các nguyên tử và phân tử xếp thành hàng theo thứ tự và các hướng hoàn hảo (Ảnh: AFP)

Tuy nhiên, các cấu trúc trật tự không thể tăng thêm hơn vì nó sẽ biến vật liệu thành kim cương và làm mất đi tính bán dẫn và một số đặc tính khác vốn chỉ có thể tồn tại ở trạng thái vô trật tự của vật liệu.

Vào năm 2013, nhóm của Tian đã tạo ra vật liệu cứng nhất thế giới có thể nhìn thấy bằng mắt thường, một tinh thể boron nitride cứng gấp đôi (200 GPa) so với kim cương và kỷ lục này vẫn được duy trì đến hiện tại.

Nhưng theo một số cách nào đó thì việc chế tạo thủy tinh siêu bền phức tạp hơn nhiều so với tinh thể.

Kim cương nhân tạo được sản xuất từ ​​than chì rẻ tiền dưới yếu tố nhiệt và áp suất. Nhưng việc sản xuất AM-III đòi hỏi phải có fullerene, một loại vật liệu phức tạp hơn gồm các phân tử tương tự như những quả bóng với cấu trúc rỗng được tạo thành từ các nguyên tử carbon.  Fullerene rất mềm nên nó được sử dụng trong một số sản phẩm mỹ phẩm. Tuy nhiên, dưới sức nóng và áp suất ngày càng tăng, các "quả bóng" carbon sẽ bị nghiền nát và hòa trộn với nhau.

Tian và các đồng nghiệp đã tăng áp suất trong buồng thí nghiệm lên 25 GPa và nhiệt độ lên 1.200 độ C (2.192 độ F). Một số nhóm nghiên cứu khác đã tôi fullerene trước, nhưng không ai thử với các điều kiện khắc nghiệt như vậy vì họ sợ nó biến vật liệu thành kim cương. Theo nhóm nghiên cứu Trung Quốc, cuộc thử nghiệm lẽ ra đã thất bại do thời gian gấp rút. Họ đã dành hơn 12 giờ để tăng dần nhiệt độ và áp suất đến mức tối đa, và dành một khoảng thời gian tương đương để vật liệu nguội dần.

Dù có sự cạnh tranh gay gắt để tạo ra loại vật liệu siêu cứng trên thế giới nhưng AM-III lại được ra đời là nhờ vào sự hợp tác quốc tế.  Các nhà khoa học từ Thụy Điển, Hoa Kỳ, Đức và Nga đã tham gia cuộc thử nghiệm ở Trung Quốc. Những cộng tác viên nước ngoài này đã giúp đỡ nhóm nghiên cứu Trung Quốc bằng cách đưa ra những ý tưởng mới và phân tích dữ liệu.

Các nhà khoa học đã tạo nên nhiều loại vật liệu với tính chất đầy mạnh mẽ. Ví dụ, Graphene có thể chống lại hơn 400 GPa trên lý thuyết. Nhưng thứ sức mạnh như thế chỉ tồn tại khi loại vật liệu đó dày ở cấp độ một nguyên tử. Chồng nhiều lớp graphene với nhau sẽ biến nó thành graphite mềm, bình thường.

Kết quả là, ứng dụng của nhiều loại vật liệu siêu cứng bị giới hạn ở một lớp phủ mỏng trên bề mặt của loại vật liệu khác. Tuy nhiên, AM-III có thể được sản xuất với nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau. Và không giống như kim cương có một số bề mặt yếu vì sự liên kết khác thường nơi các nguyên tử của nó, thì AM-III rất cứng xung quanh.

Theo các nhà nghiên cứu, các thuộc tính này sẽ làm tăng thêm tiềm năng ứng dụng của nó trong tương lai.

Giang Vu (theo SCMP)