Tạo ra kim cương trong điều kiện nhiệt độ phòng

Carbon thủy tinh là vật liệu tiền chất

Kim cương hình thành tự nhiên trong lớp vỏ Trái Đất dưới nhiệt độ và áp suất khắc nghiệt trong hàng tỷ năm. Cách đây không lâu, một nhóm nhà khoa học từ Đại học Quốc gia Úc (ANU) và Đại học Viện Công nghệ Hoàng gia Melbourne (RMIT) công bố một phương pháp có thể tạo ra đá quý ở nhiệt độ phòng trong vòng vài phút.

Để khắc phục các vấn đề về sự hiếm có và giá thành của vật liệu, những viên kim cương tổng hợp đầu tiên được sản xuất vào đầu những năm 1950, chủ yếu sử dụng trong công nghiệp. Đây là một phương pháp nhanh chóng tạo ra đá quý, nhưng các quy trình tổng hợp này đòi hỏi áp suất và nhiệt độ cao để biến carbon nguyên tố thành kim cương kết tinh; nguyên nhân chính là cần năng lượng rất lớn để vượt rào cản động học cao giữa các pha vật liệu.

Trong báo cáo công trình nghiên cứu gần đây, được công bố trên Tạp chí Small, nhóm nhà nghiên cứu do GS Dougal G. McCulloch dẫn đầu báo cáo sự hình thành kim cương tinh thể nano và lonsdaleite - một dạng phân tử carbon ít phổ biến hơn với cấu trúc tinh thể lục giác, tìm thấy trong tự nhiên tại các điểm va chạm của thiên thạch - ở nhiệt độ phòng dưới áp suất 80GPa.

Đây là một cải tiến mang tính đột phá khi tất cả các quy trình chế tạo kim cương nhân tạo đều yêu cầu nhiệt độ khoảng 1.400°C. Trong công trình nghiên cứu này, carbon thủy tinh được sử dụng làm vật liệu tiền chất và được nén trong các tế bào đe kim cương ở nhiệt độ phòng.

Carbon thủy tinh là một dạng carbon không tinh thể, tương tự như than chì, chủ yếu là liên kết sp2, nhưng không giống như graphit, phân tử chứa các lớp xếp chồng lên nhau và định hướng ngẫu nhiên, tạo thành một vật liệu đẳng hướng, mờ đục.

Sau khi nén carbon thủy tinh và phân tích các mẫu dưới áp lực, các nhà khoa học quan sát được sự hình thành 3 pha khác biệt của cacbon: graphit, kim cương và lonsdaleit.

Trước đây, nhóm nghiên cứu cũng tạo được lonsdaleite, còn được gọi là kim cương lục giác trong phòng thí nghiệm ở nhiệt độ cao. Kim cương và lonsdaleite thường được cho là hình thành thông qua các cách biến đổi khác nhau liên quan đến sự trượt của những lớp graphene  để đạt được sự xếp chồng thích hợp khi các lớp nén lại với nhau.

Sự dịch chuyển các nguyên tử cần thiết tạo thành dạng tinh thể tương ứng đạt được bằng phương pháp làm nóng mẫu, giảm thiểu rào cản động học giữa các pha. Nhưng kết quả thử nghiệm mới cho thấy cả lonsdaleite và kim cương thông thường cũng có thể hình thành ở nhiệt độ phòng bình thường chỉ bằng cách áp dụng áp suất cao đến 80GPa.

Biến đổi pha từ carbon thủy tinh thành kim cương và kim cương lục giác lonsdaleite dưới lực cắt.

Giải pháp bước ngoặt là lực xoắn 

Theo GS Bradby, bước ngoặt trong giải pháp này là cách áp dụng áp lực, “Sự xoắn” đến từ phương sử dụng lực nén. Cũng như áp suất rất cao, carbon trải qua hiệu ứng, được gọi là “lực cắt” - giống như lực xoắn hoặc lực trượt.

Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), các nhà nghiên cứu phân tích các mẫu nguyên vẹn thu hồi từ các tế bào đe kim cương từ các mẫu thử nghiệm, cho phép nắm được đầy đủ về bản chất và mối quan hệ giữa các pha trong vật liệu thu được. Các nhà khoa học cho biết, kết quả này giống như lấy mẫu lõi đá thay vì lấy mẫu bột nghiền, cho phép điều nghiên các mối quan hệ cấp độ nguyên tử giữa sự sắp xếp các pha tinh thể và trường ứng suất không đồng nhất trong tế bào đe kim cương.

Sự hiện diện của kim cương tinh thể nano và các mạch lonsdaleite trong các mẫu thu được một cách kỳ diệu mà không cần gia nhiệt có thể được giải thích do có sự hiện diện của áp suất cao và biến dạng cắt, hình thành lực xoắn và trượt thúc đẩy các nguyên tử cacbon vượt qua các rào cản động học sự thay đổi pha.