Các nhà khoa học phát triển quy trình sản xuất kim cương nhân tạo với kim loại lỏng ở mức nhiệt khoảng 1.000 độ C và áp suất thấp.
Kim cương tự nhiên cần hàng tỷ năm để hình thành dưới áp lực và nhiệt độ cực lớn ở sâu dưới lòng đất. Kim cương tổng hợp được sản xuất nhanh hơn nhiều, nhưng thường vẫn đòi hỏi chịu lực ép mạnh trong vài tuần. Tuy nhiên, phương pháp mới dựa trên hỗn hợp các kim loại lỏng có thể tạo ra kim cương chỉ trong 150 phút ở mức nhiệt 1.025 độ C mà không cần đến áp lực khổng lồ.
Ảnh hiển vi điện tử quét của màng kim cương hình thành nhờ kim loại lỏng. (Ảnh: Nature).
Nghiên cứu mới do nhóm nhà khoa học tại Viện Khoa học Cơ bản Hàn Quốc thực hiện, công bố trên tạp chí Nature hôm 24/4. Họ tin rằng phương pháp này có thể được mở rộng quy mô để mang lại khác biệt đáng kể trong lĩnh vực sản xuất kim cương nhân tạo.
Hòa tan carbon vào kim loại lỏng để sản xuất kim cương không phải điều hoàn toàn mới. Ví dụ, công ty General Electric đã phát triển quy trình như vậy khoảng nửa thế kỷ trước với sulfide sắt nóng chảy. Tuy nhiên, quy trình vẫn đòi hỏi áp suất 5 – 6 gigapascal và một “hạt giống” kim cương để carbon bám vào.
“Chúng tôi đã phát hiện một phương pháp để phát triển kim cương với áp suất 1 atm (áp suất khí quyển tại mực nước biển) và nhiệt độ vừa phải bằng cách sử dụng hỗn hợp kim loại lỏng”, nhóm chuyên gia viết trong nghiên cứu mới.
Họ thành công giảm mức áp suất cần thiết nhờ cẩn thận hòa trộn các kim loại lỏng gali, sắt, niken và silicon. Một hệ thống chân không chuyên dụng được chế tạo bên trong lớp vỏ than chì để nhanh chóng làm nóng và làm nguội kim loại trong khi nó tiếp xúc với hỗn hợp methane và hydro.
Những điều kiện này khiến các nguyên tử carbon từ methane xâm nhập kim loại nóng chảy, hoạt động như “hạt giống” kim cương. Sau 15 phút, những mảnh tinh thể kim cương nhỏ nhô ra từ ngay dưới bề mặt kim loại lỏng. Sau 150 phút, một màng kim cương liên tục sẽ hình thành.
Dù nồng độ carbon tạo ra các tinh thể giảm ở độ sâu chỉ vài trăm nanomet, nhóm nghiên cứu hy vọng quy trình có thể được cải tiến với một số điều chỉnh. Những điều chỉnh này sẽ mất thời gian và nghiên cứu vẫn đang ở giai đoạn sơ khai, nhưng họ cho rằng phương pháp mới rất tiềm năng và có thể kết hợp các kim loại lỏng khác để thu được kết quả tương tự, thậm chí tốt hơn.