Các chuyên gia dùng áp suất biến đổi một vật liệu carbon thành loại kính mới có tiềm năng đưa vào sản xuất hàng loạt với tính ứng dụng cao.
Nhóm nghiên cứu quốc tế tổng hợp loại kính carbon mới siêu cứng với tiềm năng ứng dụng dồi dào trong các thiết bị và đồ điện tử. Đây là loại kính cứng nhất với độ dẫn nhiệt cao nhất trong số các vật liệu kính hiện nay. Nghiên cứu mới xuất bản trên tạp chí Nature hôm 24/11.
Quá trình xử lý với nhiệt độ thấp và áp suất cao trong phòng thí nghiệm có thể biến vật liệu buckyball thành kính kim cương siêu cứng. (Ảnh: Shutterstock)
Cách các nguyên tử liên kết hóa học với nhau và sự sắp xếp cấu trúc của chúng quyết định tính chất vật lý của một vật liệu, bao gồm cả những tính chất có thể quan sát bằng mắt thường và những tính chất chỉ được hé lộ qua phân tích khoa học.
Carbon dẫn đầu về khả năng tạo thành các cấu trúc ổn định, dù đứng một mình hay kết hợp với nguyên tố khác. Một số dạng carbon có cách tổ chức tinh vi với các mạng tinh thể lặp lại. Số khác có trật tự hỗn loạn hơn, được gọi là vô định hình. Loại liên kết giúp gắn kết vật liệu gốc carbon sẽ quyết định độ cứng. Ví dụ, than chì mềm có các liên kết hai chiều còn kim cương cứng có các liên kết ba chiều.
“Tổng hợp vật liệu carbon vô định hình với liên kết ba chiều là mục tiêu đã tồn tại từ lâu. Mấu chốt là tìm ra vật liệu ban đầu thích hợp để biến đổi bằng áp suất”, Yingwei Fei, chuyên gia tại Viện Khoa học Carnegie, thành viên nhóm nghiên cứu, giải thích.
“Suốt nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu tại Carnegie đã đi đầu trong lĩnh vực này. Chúng tôi sử dụng những kỹ thuật phòng thí nghiệm để tạo ra áp suất cực lớn, từ đó chế tạo vật liệu mới hoặc mô phỏng những điều kiện giống như ở sâu bên trong các hành tinh”, Richard Carlson, giám đốc Phòng thí nghiệm Hành tinh và Trái Đất tại Viện Khoa học Carnegie, cho biết.
Do nhiệt độ nóng chảy quá cao, kim cương không thể dùng làm vật liệu ban đầu để tổng hợp loại kính giống kim cương. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi chuyên gia Bingbing Liu và Mingguang Yao tại Đại học Cát Lâm đã tạo ra đột phá bằng cách sử dụng dạng carbon gồm 60 phân tử xếp lại thành một quả cầu rỗng. Vật liệu này được gọi là buckyball và từng mang về giải Nobel danh giá.
Trong nghiên cứu mới, nhóm chuyên gia đã nung nóng nó vừa đủ để làm sụp đổ cấu trúc giống quả bóng đá của buckyball, gây ra sự mất trật tự, sau đó biến carbon thành kim cương tinh thể dưới áp suất. Nhóm nghiên cứu sử dụng máy ép dung tích lớn để tổng hợp loại kính giống kim cương. Họ xác nhận các đặc tính của nó bằng nhiều kỹ thuật tiên tiến chuyên dùng để tìm hiểu cấu trúc nguyên tử.
“Loại kính với đặc tính ưu việt như vậy sẽ mở ra cánh cửa cho những ứng dụng mới. Chúng tôi có thể tổng hợp loại kính kim cương siêu cứng mới ở nhiệt độ tương đối thấp. Điều này giúp việc sản xuất hàng loạt trở nên khả thi hơn”, Fei cho biết.