Cứng hơn kim cương 17%

Một thí nghiệm hồi năm 2003 đã tạo ra cái người ta tin là một dạng mới của carbon, nhưng các kết quả vẫn gây tranh cãi. Nay hai đội khoa học đã sử dụng các phương tiện khác để nhận dạng một cấu trúc mạng ba chiều gọi là “bct-carbon” mà theo họ có lẽ cấu trúc đó đã hình thành hồi năm 2003.

Siêu ô bct-carbon nhìn theo các hướng [100]/[001] và [010], đường chấm-gạch trong hình (b) chỉ ra cấu trúc vuông góc kiểu graphene của bct-carbon. Ảnh: Xiang-Feng Zhou

Người ta đã biết trong gần 50 năm qua rằng graphite khi chịu sự nén lạnh (áp suất cao ở nhiệt độ tùy ý) trải qua một sự biến đổi không thể đảo ngược, và hồi năm 2003, các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Stanford đã nén graphite trong một cái đe kim cương, đồng thời thu được hệ vân nhiễu xạ tia X giúp họ nghiên cứu các liên kết bên trong cấu trúc đó. Họ nhận thấy khi áp suất vượt quá 17 gigapascal (GPa) (170.000 atmosphere), thì các nguyên tử carbon bên trong graphite mềm thông thường hình thành nên một chất liệu đủ cứng để làm vỡ kim cương, nhưng cấu trúc của nó thì vẫn chưa rõ.

Nay một đội khoa học đứng đầu là Hui-Tian Wang thuộc trường Đại học Nankai ở Thiên Tân, Trung Quốc, vừa chứng minh qua các mô phỏng trên máy tính rằng loại carbon siêu cứng đó ít nhất thì có thể gồm một phần bct-carbon, vì dạng này cần ít năng lượng nhất để hình thành. Bct-carbon có cấu trúc lưng chừng giữa các khối lập phương nguyên tử carbon của kim cương và các tấm nguyên tử carbon liên kết với nhau thành một mạng lưới hình lục giác của graphite. Bct-carbon gồm các tấm chứa bốn vòng nguyên tử carbon kết nối với nhau bằng những liên kết mạnh.

Đội khoa học đã nghiên cứu 15 cấu trúc có thể có và nhận thấy bct-carbon trong suốt không những đòi hỏi năng lượng để hình thành thấp hơn, mà suất căng của nó còn lớn hơn suất căng của kim cương 17%. Nếu các kết quả trên được xác nhận, thì điều này có nghĩa là người ta có thể chế tạo ra một chất liệu cứng hơn kim cương ở nhiệt độ bình thường.

Một nhóm nhà khoa học khác, bao gồm Renata Wentzcovitch thuộc trường Đại học Minnesota và Takashi Miyake ở Viện Khoa học Công nghiệp Tiên tiến và Công nghệ ở Nhật Bản, đi đến những kết luận tương tự sớm hơn, vào đầu năm nay, nhưng bằng một phương pháp khác. Nhóm này đã phân tích cấu trúc bct-carbon đã đề xuất, sử dụng các mô phỏng cơ lượng tử. Họ nhận thấy bct-carbon bền hơn graphite ở áp suất 18,6 GPa, và khi trộn lẫn với M-carbon thì nó sẽ tạo ra hệ vân nhiễu xạ tia X rất khớp với hệ vân tìm thấy hồi năm 2003. (M-carbon là một cấu trúc gồm các lớp carbon sắp thành vòng gồm 5 và 7 nguyên tử).

Tham khảo:

-- Ab initio study of the formation of transparent carbon under pressure, Phys. Rev. B 82, 134126 (2010) DOI:10.1103/PhysRevB.82.134126

-- Body-Centered Tetragonal C₄: A Viable sp³ Carbon Allotrope, Phys. Rev. Lett. 104, 125504 (2010) DOI:10.1103/PhysRevLett.104.125504

Nguồn: PhysOrg.com
Tác giả: Lin Edwards
Ngày: 08/11/2010