Công Nghệ Mới Từ Trung Quốc: Đá Quý Bền Gấp 6 Lần Kim Cương Thông Thường

Gần đây, các nhà nghiên cứu tại Trung Quốc đã thực hiện một bước đột phá tuyệt vời trong lĩnh vực vật liệu, khi họ công bố phát minh mới về kim cương bền hơn gấp 6 lần so với kim cương tự nhiên. Điều này không chỉ mở ra những cơ hội mới trong ngành công nghiệp mà còn có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Kể từ lâu, kim cương được coi là loại vật liệu tự nhiên cứng nhất trên hành tinh, tuy nhiên, độ giòn của nó khiến cho việc sử dụng trong một số hoàn cảnh trở nên hạn chế. Một lực tác động không đúng hướng có thể dễ dàng gây ra tình trạng nứt hoặc vỡ tương tự như thủy tinh.

Trong suốt nhiều năm qua, nhiều nhà nghiên cứu đã nỗ lực tìm kiếm giải pháp để tăng cường độ bền của kim cương mà không làm giảm độ cứng. Tuy nhiên, chúng ta biết rằng mọi cải tiến trong một đặc tính thường phải đánh đổi với một đặc tính khác.

Nhóm nghiên cứu từ Viện Vật lý, thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Đại học Hàng không Vũ trụ Bắc Kinh đã khám phá ra một phương pháp mới, nâng cao khả năng chống va đập của kim cương lên từ 5 đến 6 lần mà vẫn không ảnh hưởng đến độ cứng nguyên bản.

Họ đã tiến hành nghiên cứu này với sự hỗ trợ của Cơ sở nghiên cứu điều kiện cực hạn Huairou (Bắc Kinh). Điều này cho phép các nhà khoa học tiến hành thử nghiệm dưới những điều kiện khắc nghiệt về nhiệt độ và áp suất để phát triển các vật liệu có hiệu năng cao.

Vật liệu mới này thậm chí còn có khả năng chống nứt vượt trội hơn nhiều so với các hợp kim vonfram thông thường được sử dụng trong lĩnh vực quân sự và các ứng dụng chịu tải trọng lớn.

Công thức thành công nằm ở việc đưa các ống nano carbon đa thành (Multi-Walled Carbon Nanotubes – MWCNT) vào trong cấu trúc của kim cương. Đây là những sợi dây carbon siêu nhỏ, với đường kính chỉ bằng một phần mười nghìn của sợi tóc người, nhưng độ bền kéo của chúng lại cao hơn hàng chục lần so với thép.

Trước đây, nhiều nghiên cứu đã cố gắng kết hợp ống nano carbon với kim loại hoặc gốm, nhưng kết quả đạt được thường không cao do liên kết giữa các vật liệu này không đủ mạnh. Tuy nhiên, cách tiếp cận mới của các nhà khoa học Trung Quốc đã tạo ra một bước tiến vượt bậc.

Họ đã trộn đều bột kim cương mịn với ống nano carbon, sau đó cho hỗn hợp này vào môi trường nhiệt độ cao khoảng 2.000 độ C và áp suất lên đến 15 gigapascal – tức là gấp khoảng 150.000 lần áp suất khí quyển. Đây là mức áp suất được tính toán chính xác để đảm bảo các ống nano vẫn giữ nguyên cấu trúc sợi mà không bị biến đổi thành kim cương hoặc chuyển thành than chì, từ đó đảm bảo chất lượng vật liệu.

Cuối cùng, họ đã thành công tạo ra mạng lưới liên kết bền chặt giữa kim cương và ống nano, hoạt động như một hệ thống cốt thép trong bê tông. Các ống nano carbon không chỉ tạo ra sự liên kết giữa các hạt kim cương mà còn giúp phân tán ứng suất khi vật liệu phải chịu lực.

Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy vật liệu mới này đạt độ cứng xấp xỉ 91,6 gigapascal, tương đương với kim cương đơn tinh thể thông thường. Đáng chú ý, độ dai phá hủy của nó lên tới 36,4 MPa√m, cao hơn từ 5 đến 6 lần so với kim cương truyền thống và vượt trội hơn nhiều so với các hợp kim vonfram hiện có.

Nhóm nghiên cứu cũng đã dùng kính hiển vi điện tử để quan sát các vết nứt hình thành và phát triển. Trong khi kim cương thường phát triển các vết nứt theo đường thẳng, khiến vật liệu dễ dàng bị phá hủy, thì ở mẫu mới, các ống nano carbon như những dây neo giúp kéo và phân tán các vết nứt theo nhiều chiều khác nhau, ngăn chặn sự lan rộng của chúng.

Nhờ vào cơ chế này, vật liệu mới không chỉ sở hữu khả năng chống nứt vượt trội mà còn duy trì được độ cứng đặc trưng của kim cương.

Với những ưu điểm vượt trội, vật liệu mới này hứa hẹn sẽ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong ngành công nghiệp, vật liệu có thể được sử dụng để chế tạo dao cắt siêu cứng cho việc gia công kim loại và gốm, các đầu khoan địa chất và các linh kiện chịu mài mòn. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, vật liệu này được hy vọng sẽ là lựa chọn lý tưởng cho các chi tiết cần độ cứng cao và khả năng chịu va đập mạnh.

Theo thông tin từ SCMP.