Kim cương bị soán ngôi “cứng nhất thế giới” bằng vật liệu này?

Kim cương có giá trị cao do độ cứng. Là đồ trang sức, chúng có thể tồn tại hàng thế hệ và không bị xước bất chấp mài mòn ngày này qua ngày khác.

Để làm lưỡi dao hoặc mũi khoan, chúng có thể xuyên qua gần như bất cứ thứ gì mà không bị phá hủy. Ở dạng bột, kim cương giúp đánh bóng đá quý, kim loại và nhiều vật liệu khác.

Phát triển thành công vật liệu cứng như kim cương

Kể từ cuối những năm 1980, các nhà khoa học đã tìm cách thay thế giải pháp khai thác kim cương, vốn là các mỏ hình thành sâu bên trong Trái đất, thường gắn với những hành vi bóc lột lao động và tổn hại môi trường, bằng vật liệu có tên carbon nitride.

Được biết. carbon nitride hình thành từ carbon và nitơ. Về mặt lý thuyết, vật liệu này có thể sánh ngang với độ cứng của kim cương. Song một giải pháp quy mô công nghiệp là điều không khả thi trong thời gian dài.

Mới đây, một nhóm các nhà khoa học quốc tế từ Đại học Edinburgh, Đại học Bayreuth và Đại học Linköping đã đạt được bước đột phá quan trọng trong sản xuất vật liệu siêu cứng này.

Cụ thể, các nhà khoa học đã nén carbon và nitơ ở áp suất gấp 700.000 lần áp suất khí quyển. Đồng thời, họ sử dụng tia laser, làm nóng vật liệu đến nhiệt độ 2732 độ F (1500 độ C). Tiếp đó, các mẫu được soi bằng chùm tia X cường độ cao tại ba máy gia tốc hạt (đặt lần lượt tại Pháp, Đức và Mỹ).

Công trình nghiên cứu được công bố vào tháng 10/2023 trên tạp chí Advanced Materials. Các nhà khoa học phát hiện ra 3 hợp chất carbon nitride có độ cứng siêu cao và giữ đặc tính giống kim cương khi trở về điều kiện nhiệt độ và áp suất xung quanh.

Nghiên cứu sâu hơn còn cho thấy vật liệu mới chứa các đặc tính bổ sung như khả năng phát quang và lưu trữ mật độ năng lượng cao chỉ trong một khối lượng nhỏ.

“Carbon nitride không hoàn toàn thay thế được kim cương tự nhiên. Độ cứng của một viên kim cương vào khoảng 90 gigapascal (GPa), trong khi một khối boron nitride chỉ đạt khoảng 50-55 GPa. Hợp chất carbon nitride mới, đạt khoảng 78-86 Gpa, tùy thuộc vào cấu trúc tinh thể. Chênh lệch về con số không nhiều, nhưng thế là chưa đủ để giành ngôi vị số một của kim cương”, nhóm nghiên cho biết.

Tuy nhiên, việc cắt giảm chi phí sẽ là mục tiêu hướng đến khi vật liệu này có lợi thế so với kim cương thông thường, nó có thể tạo ra tín hiệu điện - một đặc điểm tiện dụng khi sử dụng trong cảm biến.