Cách giới khoa học Trung Quốc tìm ra cách giúp kim cương cứng hơn gấp 5 lần

Theo công bố trên tạp chí Nature Synthesis vào tháng 7, các nhà khoa học tại Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Đại học Hàng không Vũ trụ Bắc Kinh đã chế tạo thành công vật liệu tổng hợp có khả năng chống nứt vỡ cao gấp khoảng 5 lần kim cương đơn tinh thể thông thường.

Nghiên cứu đã giải quyết bài toán làm tăng độ bền chắc cho loại vật chất vốn khá giòn này mà không làm giảm đi độ cứng như các phương pháp thay đổi cấu trúc bên trong trước đây.

Trung Quốc tạo ra loại kim cương siêu bền thế hệ mới.

Thay vì tạo ra kim cương lục giác từ than chì cứng hơn một chút so với kim cương tự nhiên như nghiên cứu trước đó, nhóm khoa học đã dùng các ống nano carbon đa vách mỏng bằng 1/10.000 sợi tóc để lấp đầy khoảng trống giữa những hạt bột kim cương. Hỗn hợp sau đó được nung ở 2.000 độ C dưới áp suất 15 GPa, giúp các ống nano liên kết với hạt kim cương ở cấp độ nguyên tử và hình thành mạng lưới 3D xuyên suốt khối vật liệu.

Qua thử nghiệm, khối vật liệu đã đạt độ cứng khoảng 91,6 GPa (ngang ngửa kim cương đơn tinh thể) và độ dẻo dai chống đứt gãy trung bình đạt 31,9 MPa·m½. Khi vết nứt xuất hiện, mạng lưới ống nano sẽ đẩy vết nứt sang hướng khác và giữ chặt hai bờ lại để tiêu tán năng lượng, giúp vật liệu bền chắc hơn cả mẫu hợp kim vonfram (chỉ đạt 25,6 MPa·m½) - kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao nhất vốn được chọn cho bộ phận chuyển hướng của dự án lò phản ứng nhiệt hạch ITER.

Dù kim cương tự nhiên đạt điểm tối đa 10 trên thang độ cứng Mohs về khả năng chống trầy xước, chúng lại có tính cát khai hoàn toàn theo bốn hướng đóng vai trò là các điểm yếu cấu trúc. Do đó, một chiếc búa thép dù không thể làm xước bề mặt nhưng vẫn có thể đập vỡ vụn viên kim cương nếu giáng lực đủ mạnh dọc theo các mặt phẳng này.

Kim cương thông thường vẫn có thể bị búa thép đập vỡ.

Việc gia cố thành công bột kim cương bằng ống nano carbon đã làm thay đổi cách giới khoa học nhìn nhận về giới hạn chịu lực của kim cương. Cho đến nay, nhóm nghiên cứu cho biết vật liệu mới này hướng tới việc ứng dụng trong các công cụ siêu cứng thế hệ tiếp theo và những vật liệu chống va đập.