Phát hiện mới về kim cương kích thước nano

Kim cương có thể uốn cong trong kích thước nano

Trong số những lý tính đó là sự ổn định cơ học và là một trong những vật liệu cứng rắn nhất trên thế giới. Vì vậy, kim cương được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp vì các mũi kim cương đánh bóng, cắt và khoan các loại vật liệu khác rất hiệu quả.

Nhưng gần đây, một nhóm nhà khoa học Úc đã phát hiện ra rằng kim cương thực sự có thể bị uốn cong và biến dạng, trong phạm vi kích thước nano.

Theo bản báo cáo khoa học - được công bố gần đây trên tạp chí Vật liệu Tiên tiến (Advanced Materials ) - các tính chất cơ học của một số lượng lớn vật liệu có thể bị thay đổi đáng kể khi kích thước vật liệu giảm xuống đến mức micro và nano, mở ra hàng loạt những ứng dụng mới có thể áp dụng trong các lĩnh vực như phát triển cảm biến, quốc phòng và lưu trữ năng lượng.

Blake Regan, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Công nghệ Sydney (UTS), tác giả chính của nghiên cứu cho biết, kim cương sẽ là vật chất tiên phong cho các ứng dụng mới được biết đến trong công nghệ nano, các hệ thống cơ điện tử và bảo vệ chống bức xạ được ứng dụng trong kỹ thuật ảnh y khoa, cảm biến nhiệt độ, xử lý thông tin lượng tử và truyền thông.

Nhóm nghiên cứu chứng minh rằng các thanh kim cương kích thước nano không những có thể biến dạng đàn hồi và gãy, mà còn có thể có hình dạng mới  nhờ biến dạng dẻo, phụ thuộc vào kích thước nano của thanh kim cương (nanopillar) và hướng tinh thể của kim cương.

Thanh kim cương kích thước nano có thể bị uốn cong. Ảnh Advanced Science News

Lai hóa quỹ đạo

Biến dạng dẻo có thể được giải thích bằng sự xuất hiện của một phân đoạn mới ma trận carbon có cấu trúc mới là O8 ‐ carbon được xác định trong các vùng bị biến dạng của các ống nano bị uốn cong.

Trong kim cương, mỗi nguyên tử carbon tạo thành bốn liên kết với bốn nguyên tử carbon khác nhờ có sự “lai hóa quỹ đạo”, đó là khái niệm pha trộn các quỹ đạo nguyên tử vào quỹ đạo lai mới (với năng lượng và hình học cụ thể) hình thành liên kết hóa học. Trong kim cương, các nguyên tử carbon chấp nhận cấu trúc lai hóa sp3.

Sự lai hóa của nguyên tử carbon là sp3. Mỗi carbon được liên kết tứ diện với bốn nguyên tử carbon lân cận thông qua bốn liên kết C − C sp3 − sp3 sigma mạnh. Trong lai hóa sp3, độ dài liên kết C − C trong kim cương là 154 pm. Cấu trúc của kim cương là ba chiều và cứng rắn. Kim cương cứng rắn vì tất cả các electron đều được giữ chặt, không có các electron tự do trong tinh thể kim cương.

Nhưng ở phân đoạn mới này của thanh carbon, hiện diện hỗn hợp 50:50 hai loại lai nguyên tử giữa phép lai sp2 (cấu trúc liên kết như than chì) và sp3 (như kim cương).

Cấu trúc biến dạng của thanh kim cương kích thước nano khi bị kéo căng

Cấu trúc nguyên tử carbon dạng lai sp3 (kim cương) và dạng sp2 (than chì)

Kết quả nghiên  cứu cho thấy một biến đổi cơ học chưa từng có của kim cương, cung cấp những hiểu biết quan trọng về động lực gây biến dạng vật liệu cấu trúc nano.

Theo GS UTS Igor Aharonovich: Đây là những phát hiện rất quan trọng trong động lực học khiến vật liệu cấu trúc nano có thể biến dạng, uốn cong. Sự thay đổi các tham số cấu trúc nano có thể thay đổi bất kỳ tính chất vật lý nào của vật liệu, từ cơ học đến từ tính và quang học.

Không giống như nhiều giải thuyết phân đoạn của carbon, O8-carbon xuất hiện một cách tự nhiên khi kéo căng các liên kết như kim cương, dần bị phá vỡ như dây khóa kéo, biến một vùng rộng từ kim cương thành O8 - carbon.

GS Igor Aharonovich cho biết, những ứng dụng tiềm năng của công nghệ nano đối với sự biến dạng của kim cương rất đa dạng. Phát hiện của chúng tôi sẽ giúp cho việc thiết kế và hỗ trợ kỹ thuật của các thiết bị ứng dụng dân sự mới như siêu tụ điện, bộ lọc quang học hoặc lọc không khí.