Tự đặt nhiệm vụ ra cho chính mình bởi hiểu được tầm quan trọng và độ hấp dẫn cùng cực, các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới từ năm 1972 đã không ngừng tìm tòi nghiên cứu để tìm ra các vật liệu siêu cứng, cuối cùng sau 45 năm, họ đã thành công.

Biết rằng ngay lõi trung tâm của hành tinh xanh trái đất của chúng ta, nơi có hàng tỷ tấn đất đá đè ép lên nhau sẽ tạo ra một lực ép lớn hơn ba triệu lần áp suất khí quyển ở trên bề mặt. Trên bàn làm việc trong một phòng thí nghiệm vô danh ở phía bắc bang Bavaria, nhà vật lý Thụy Điển gốc Nga, Natalia Dubrovinskaia cùng chồng Dubrovinsky, một nhà địa chất học tại Đại học Bayreuth, lại có thể trình diễn nhiều lần để cho thấy có sự hiện hữu của thứ áp lực không tưởng này ngay trên bề mặt trái đất, chỉ nhờ một thiết bị nhỏ bé cầm gọn trên tay.

Với thao tác xoay vài vòng một cách chính xác mấy ốc vít trên một thiết bị nhỏ làm bằng kim loại, Natalia có thể tạo ra một áp lực lớn hơn gấp ba lần so với áp lực được tính toán, hiện diện trong lõi của Trái đất. Cuộc trình diễn minh chứng bà và các đồng nghiệp của mình tại Đại học Bayreuth đã phát hiện ra một siêu vật liệu có khả năng chịu được các lực nén không tưởng này. Nó cứng đến nỗi có thể để lại vết lõm trong tinh thể kim cương - thứ đã được xem là vật liệu cứng nhất trên hành tinh.

Vật chất mới do bà phát hiện ra là một sự kiện đỉnh cao mà từ nhiều thập kỷ trôi qua, ngành giả kim thuật thời hiện đại đã từng chứng kiến bao nhà khoa học, họ bằng nhiều cố gắng khác nhau, muốn thay đổi cấu trúc hóa học của các vật chất nhằm đổi khác tính chất của chúng nhưng tất cả đều chưa nhận được kết quả nào như ý khi muốn tìm ra một vật chất mới có độ cứng chắc hơn kim cương.

Kim cương được nung ở nhiệt độ cực cao nằm sâu dưới lớp vỏ Trái đất, chỉ có được qua hoạt động núi lửa (Getty Images)

Sự gặp gỡ tiếp xúc giữa loài người và vật liệu cứng làm người ta liên tưởng trở lại thời kỳ sơ khai của loài người, khi đó tổ tiên loài người biết sử dụng đá cứng để làm ra các công cụ sơ sài từ những hòn đá mềm hơn. Trong lịch sử tiến hóa loài người, những công cụ bằng đá này sau đó lại được thay thế bằng kim loại mãi cho đến hơn 2.000 năm trước đây, con người mới biết đến thép. Thép vẫn là vật liệu cứng thông dụng được biết đến nhiều nhất cho đến khi các nhà khoa học phát hiện ra phương pháp phủ lên thép một lớp kim cương, vào cuối thế kỷ 18 để cho thép đạt được độ cứng hơn.

Kim cương có sức quyến rũ không thể chối cãi khi được sử dụng làm trang sức, kim cương cũng được xử lý để tạo ra các lớp phủ siêu cứng cho các công cụ bằng kim loại có yêu cầu chống bị mài mòn như ở mũi khoan. Đối với ngành công nghiệp khai thác mỏ và dầu khí, những công cụ khoan cắt bắt buộc phải có đầu mũi khoan bằng kim cương, nếu không có chúng, người ta không thể đào xuyên qua hàng trăm mét đá để đến các nguồn tài nguyên quý giá nằm sâu dưới lòng đất. Jagdish Narayan, chủ nhiệm khoa vật liệu tại Đại học North Carolina cho biết, lớp phủ cứng trên bề mặt công cụ là điều cần thiết cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ máy cắt tốc độ cao, mũi khoan thăm dò khí đốt, dầu mỏ cho đến các ứng dụng y sinh.

Để hiểu được những gì khiến cho vật liệu trở nên cứng chắc lạ thường, các nhà khoa học thường phải xem xét ở cấu trúc nguyên tử của vật chất đó. Kim cương được hình thành từ các nguyên tử carbon, carbon này cũng chính là thứ than chì mềm nằm trong lõi của cây bút chì. Nhưng sự khác biệt cơ bản giữa hai dạng carbon này là ở chỗ có sự sắp xếp khác biệt giữa các nguyên tử với nhau. Than chì được hình thành từ các nguyên tử carbon được sắp xếp theo hình lục giác phẳng, được liên kết với nhau bởi lực hấp dẫn khá yếu giữa mỗi lớp, trong khi ở kim cương, các nguyên tử carbon liên kết với nhau theo hình khối tứ giác, một hình dạng cực kỳ chắc chắn, liên kết này làm cho kim cương rất cứng.

Ngay bản thân từ ngữ kim cương có nguồn gốc từ chữ adámas thời Hy Lạp cổ đại, có nghĩa không thể phá vỡ. Tuy vậy kim cương thực tế vẫn bị vỡ ở áp suất đủ cao, chỉ cần tác động vào khoảng không đan xen giữa các nguyên tử cũng đủ làm suy yếu cấu trúc của nó, khiến cho kim cương dễ bị phá vỡ. Đối với các nhà khoa học, điều này lại tạo ra một vấn đề cần được nghiên cứu mới đó là: Làm thế nào để nghiên cứu phản ứng của các vật chất dưới tác động của một lực ngay tại một điểm hở, chính tại đây khiến cho các vật chất dù cứng nhất trên hành tinh cũng có thể bắt đầu bị vỡ ra? Từ thắc mắc này chắc hẳn người ta phải tin rằng sẽ tìm được một thứ gì đó có ý nghĩa to lớn.

Đối với các nhà khoa học, thật không có gì đáng ngạc nhiên bởi việc tìm cách tạo ra một vật liệu siêu cứng luôn bắt đầu bằng cố gắng tìm ra cách tái tạo sắp xếp lại cấu trúc nguyên tử của kim cương, giới khoa học cũng từng biết có một vài chất có thể kết hợp được với nhau dựa theo phương pháp này. Có một chất như vậy gọi là boron nitride. Giống như carbon, vật liệu tổng hợp này có nhiều dạng khác nhau, qua đó có thể giúp sắp xếp lại cấu trúc của kim cương bằng cách kết hợp các nguyên tử carbon, nitơ và boron lại với nhau. Vật liệu được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1957 theo phương pháp này được gọi là boron nitride hình khối, ban đầu nó được cho là cứng để có thể làm trầy xước kim cương tự nhiên – nhưng trong các thử nghiệm sau đó cho thấy rằng boron nitride hình khối thực sự chưa đủ độ cứng. Vài thập kỷ tiếp theo là ​​một chuỗi liên tiếp những thất bại khi các nhà khoa học cố công tìm kiếm, thử nghiệm bằng nhiều phương pháp khác nhau chỉ để giải quyết các mối liên kết, tạo ra được độ cứng cần thiết từ ba nguyên tố nitơ, boron và carbon trong nhiều dạng cấu trúc khác nhau.

Vào năm 1972, một loại vật liệu được tạo ra phỏng theo cấu trúc nguyên tử của kim cương, có dạng màng mỏng, nhược điểm là quá phức tạp và phải cần có nhiệt độ cực cao để tạo ra nó. Mãi đến năm 2001, một loại nitrat boron giống như kim cương đã được tạo ra bởi các nhà nghiên cứu tại Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Ukraine ở Kiev cùng với các đồng nghiệp ở Pháp và Đức, họ đã tìm ra một loại vật liệu mới cứng hơn các tinh thể boron nitride, nhưng hợp chất này vẫn còn thiếu nguyên tố carbon, thứ có trong kim cương.

Bảy năm sau, Changfeng Chen, một nhà vật lý tại Đại học Nevada và các đồng nghiệp tại Đại học Jiao Tong Thượng Hải, Trung Quốc, cho rằng họ đã chạm vào một thứ gì đó có thể đánh đổ được vị thế của kim cương. Họ tính toán thấy rằng có một dạng boron nitride quái lạ hình lục giác, được gọi là wurtzite boron nitride, chất này có khả năng kháng lực, cứng hơn kim cương đến 18%. Vật liệu quý hiếm này có cấu trúc tứ diện tương tự như kim cương và boron nitride khối, ngoại trừ khác biệt duy nhất là ở các mối liên kết hình thành tại các góc. Các mô phỏng trên máy tính về cách vật liệu này phản ứng khi chịu áp lực cho thấy một số liên kết trở nên tự linh hoạt định hướng để bảo vệ duy trì cấu trúc.

Trong khi đó, dưới áp lực lớn, các liên kết ở nguyên tử kim cương cũng phản ứng theo cách tương tự nhưng chỉ bằng 80% so với wurtzite boron nitride. Chỉ một khó khăn là để chế tạo ra vật liệu wurtzite boron nitride là rất nguy hiểm - tất cả phản ứng hóa học trong wurtzite boron nitride chỉ xảy ra một cách tự nhiên ở nhiệt độ và áp suất cực lớn như các vụ nổ phun trào núi lửa, tức để có được wurtzite boron nitride, bắt buộc người ta phải tìm cách bắt chước tạo ra được các vụ nổ có công xuất bằng các vụ nổ núi lửa, vì thế mọi thứ vẫn chưa thể được thử nghiệm. Các vấn đề tương tự cũng đã xuất hiện gây hạn chế khó khăn khi nghiên cứu về một chất liên quan khác, được gọi là Lonsdaleite, nó có được độ kháng lực cao hơn tới 58% so với các tinh thể kim cương tiêu chuẩn.

Những viên bi kim cương tinh thể như thế này được cho là vật liệu cứng nhất được loài người biết đến

Cuối cùng chỉ mới vài năm qua, người ta đã chứng kiến có một số đột phá. Vào năm 2015, Jagdish Narayan và các đồng nghiệp của ông tại Đại học bang North Carolina tiết lộ họ đã nấu chảy một dạng carbon không kết tinh được gọi là carbon thủy tinh bằng xung laser, làm nóng nó tới 3.700C (6690F) trước khi làm nguội nhanh. Bước làm nguội này, dẫn đến việc đặt tên cho vật liệu này là Q-carbon. Những gì họ đã tạo ra là một dạng carbon vô định hình kỳ lạ, nhưng đặc biệt mạnh. Không giống như các dạng carbon khác, Q-carbon có từ tính và phát sáng khi tiếp xúc với ánh sáng.

Cấu trúc của vật liệu này được tạo ra như liên kết của kim cương nhưng có thêm khoảng 10 đến 15% liên kết của than chì. Các thử nghiệm của nhóm nghiên cứu cho thấy Q-carbon có thể cứng hơn kim cương ít nhất 60%, nhưng điều này vẫn chưa được xác nhận chính thức. Các thử nghiệm đo độ cứng thực sự đòi hỏi các mẫu vật phải được một lực cực lớn tác động vào điểm được xác định là cứng nhất trên mẫu vật liệu được kiểm tra đó. Khi người ta nghiền vỡ một mẫu Q-carbon lại đưa đến một kết quả khác, kim cương bị biến dạng trong các phép đo độ cứng cho Q-carbon.

Chính tại vấn đề này, nhờ chiếc “đe” không tưởng của mình, Dubrovinskaia mới đủ khả năng chứng minh. Vật liệu mới của bà là một dạng carbon độc đáo được gọi là kim cương Nanorod diamond, thay vì được tạo ra từ sự kết hợp nhiều tinh thể nguyên tử carbon như loại kim cương làm nhẫn đính hôn, thì nó lại được tạo thành từ rất nhiều tinh thể riêng lẻ - mỗi tinh thể nhỏ bằng 1/11.000 lần sợi tóc - được liên kết với nhau bằng một lớp graphene có độ chỉ dày đúng một nguyên tử.

Thông thường, một tinh thể kim cương sẽ bắt đầu bị ảnh hưởng ở mức áp suất lên tới 120 Giga Pascals (GPa), vật liệu mới này có thể chịu được ít nhất 460 GPa. Nó thậm chí có thể tồn tại khi được ép lại dưới áp lực lên tới 1.000 GPa. Điều đó chứng minh những cấu trúc nguyên tử của vật chất này cứng chắc hơn bất kỳ chất nào từng được biết đến trên hành tinh. Hình dung điều kỳ diệu này cũng giống như việc chịu tải sức nặng từ 3.000 con voi lớn, đặt lên một bàn chân duy nhất. Đây là thứ vật chất cứng nhất trong tất cả các vật liệu siêu cứng được biết đến, Dubrovinskaia tuyên bố.

Những tinh thể nano kim cương này cũng có đặc tính trong suốt, cho phép chúng hoạt động như những thấu kính mà qua đó các nhà nghiên cứu có thể nhìn vào trong khối vật chất khi nó bị nghiền nát bằng tia X. Dubrovinskaia cho phép gia tăng áp xuất lên vật chất hiện đang có trong chiếc “đe” và quan sát được những gì đang xảy ra bên trong.

Một mẫu vật chất kim cương bị nghiền trong buồng áp suất

Dubrovinskaia và các đồng nghiệp của bà cũng đã áp dụng phương pháp này để nghiên cứu về Osmium, một kim loại có khả năng chịu nén tốt nhất trên thế giới. Họ khám phá nó có thể chống lại một lực nén hơn 750 GPa. Khi bị nén, các electron bắt đầu tương tác với nhau. Các nhà nghiên cứu tin rằng hành vi kỳ lạ này có thể khiến kim loại thay đổi từ trạng thái rắn sang một trạng thái vật chất nào đó chưa biết trước đây. Họ hy vọng sẽ nghiên cứu thêm những tính chất này của osmium trong tương lai.

Những nano kim cương siêu cứng này vượt xa mọi yêu cầu đơn giản chỉ để cắt đá và kim loại. Các hạt có kích thước nano nếu ở dạng bột đang được tìm cách sử dụng trong ngành công nghiệp mỹ phẩm vì chúng có khả năng thẩm thấu cao. Ngành y tế cũng bắt đầu khám phá những cách sử dụng nano để đưa các loại thuốc bằng phương pháp hóa trị liệu vào những khu vực khó tiếp cận của cơ thể. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng nano có thể thúc đẩy sự phát triển của xương và sụn.

Ý nghĩa sâu xa nhất của khám phá này cũng có thể giúp giải mã một số bí ẩn trong hệ mặt trời của chúng ta. Ngay ở trung tâm Trái đất, áp lực được cho là lên tới 360 GPa, hành tinh lớn nhất quay quanh mặt trời là sao Mộc khổng lồ, được cho là có áp lực lên tới 4.500 GPa ở lõi của nó.

Dưới những điều kiện áp lực như vậy, các thành phần hóa học bắt đầu phản ứng theo những cách kỳ lạ. Hydrogen - điều kiện bình thường trên Trái đất nó là một loại khí - dưới áp lực cực lớn nó bắt đầu trở nên như một chất kim loại, chẳng hạn, và có khả năng dẫn điện. Dubrovinskaia cùng chồng Dubrovinsky, họ hy vọng từ khám phá kim cương siêu cứng có thể giúp chúng ta tạo ra được những điều kiện môi trường có thật ngoài vũ trụ, điều kiện bên trong các hành tinh khổng lồ hoặc các siêu trái đất bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta. “Tôi nghĩ sẽ còn hấp dẫn hơn nhiều khi chúng tôi có thể tạo ra điều này trong một thiết bị nhỏ cầm được trên tay”, Dubrovinskaia kết luận.

ILIXX Admin