Một dạng mới của carbon đủ cứng để cắt kim cương vừa được các nhà nghiên cứu người Mĩ và Trung Quốc tạo ra. Chất liệu mới, gọi là đám carbon vô định hình có trật tự (OACC), có cấu trúc độc đáo ở chỗ vừa có những thành phần kết tinh vừa có những thành phần mất trật tự. Dưới sự chỉ đạo của Lin Wang ở Viện Khoa học Carnegie ở Mĩ, chất liệu mới được tạo ra bằng cách cho các phân tử carbon-60 hòa tan chịu áp suất gấp 300.000 lần áp suất khí quyển.
Carbon có nhiều dạng thù hình, như graphite, kim cương, ống nano, graphene và than. Nhưng cho đến nay, tất cả đều được phân loại hoặc là chất kết tinh – cấu tạo từ những đơn vị nguyên tử lặp lại tuần hoàn – hoặc chất vô định hình, nghĩa là thiếu sự trật tự cấu trúc xa thấy ở các tinh thể. Là một chất liệu kết tinh gồm những đám vô định hình, OACC là cấu trúc carbon lai đầu tiên mà người ta từng thấy vừa một phần vô định hình vừa một phần kết tinh.
Khi đưa dung môi m-xylene vào một mẫu bóng bucky bình thường và trộn chúng rồi nén đến áp suất hơn 32 GPa, các quả cầu co lại trên chúng và trở thành vô định hình. Nhưng vì dung môi giữ những đám vô định hình này ở tại chỗ trong không gian trong một mạng lưới có trật tự, nên một chất liệu siêu cứng mới gọi là “đám carbon vô định hình có trật tự” được tạo ra. (Ảnh: Shutterstock)
Những cái lồng carbon co lại
Để tạo ra dạng mới của carbon, các nhà nghiên cứu bắt đầu với các phân tử carbon-60 – những cái lồng cầu có trật tự cao trông tựa như quả bóng đá vì chúng có cấu trúc gồm những cái vòng carbon năm cạnh và sáu cạnh. Sau đó, Wang và các đồng sự cho thêm các phân tử của một dung môi hữu cơ, m-xylene, vào giữa những quả cầu đó, trước khi nén chất liệu đến những áp suất khủng khiếp lớn hơn 32 GPa. Khi xét kĩ, các nhà khoa học tìm thấy các lồng cầu carbon đã bị phá vỡ và co lại trên chúng thành những đám carbon vô định hình nhưng vẫn bị khóa lại tại chỗ của chúng trong một mạng lưới tạo bởi các phân tử dung môi.
“Các phân tử dung môi giữ một vai trò thiết yếu,” Wang giải thích. “Với carbon-60 tinh khiết, khi các lồng carbon co lại, toàn bộ cấu trúc chuyển thành vô định hình. Nhưng ở chất liệu này, vì có một số phân tử dung môi ở đó, nên ngay cả khi các lồng carbon co lại, chúng vẫn không di chuyển được.”
Gây ấn tượng
Nhưng cái thật sự khiến Wang và các đồng sự sửng sốt là khi họ nén dạng mới đó của carbon đến áp suất lên tới 60 GPa giữa đầu nhọn của một cặp kim cương trong một cái đe kim cương. Khi họ giải phóng áp suất và sau đó kiểm tra dụng cụ của mình, họ tìm thấy rằng kim cương – chất liệu cứng nhất trong tự nhiên – thật sự bị cắt bởi mẫu chất của họ.
Tính cứng của kim cương có thể quy cho thực tế là mỗi nguyên tử carbon nối với các láng giềng của nó bởi nhóm bốn liên kết cộng hóa trị mạnh. Simon Parsons, một nhà tinh thể học phân tử tại trường Đại học Edingburg ở Anh, người không có liên quan trong nghiên cứu trên, cảm thấy ngạc nhiên là một cấu trúc phân tử có thể đưa đến loại cứng như thế này. “Tôi nghĩ kim cương với khuôn mẫu cấu trúc 3D trải rộng trọn vẹn của nó là cứng hơn chất liệu có những phân tử hòa tan bít lỗ bên trong,” ông nói. “Nhưng điều đó không đúng ở đây.”
Các mô phỏng phân tử đã củng cố cho cái các nhà nghiên cứu tìm thấy trong phòng thí nghiệm, đó là khi áp suất lên tới 30 GPa được tác dụng và giải phóng, các lồng carbon bật trở lại hình dạng kết tinh ban đầu của chúng. Nhưng với áp suất lớn hơn 32 GPa, chất liệu trải qua một sự biến đổi vĩnh viễn, với các liên kết trong các lồng carbon-60 bị phá vỡ và hình thành lại. Khi áp suất được giải phóng, chất liệu siêu cứng mới có thể lấy lại các điều kiện xung quanh trong khi vẫn nguyên vẹn. Khi các nhà nghiên cứu làm nóng OACC để giải phóng dung môi, thì trật tự xa của nó biến mất và nó suy thoái thành những viên gạch cấu trúc mất trật tự đã co lại của nó, do đó tiếp tục xác nhận vai trò thiết yếu của dung môi trong việc mang lại tính tuần hoàn của OACC.
Hướng phát triển
Một ưu điêm tiềm năng của chất liệu mới là nó được tạo ra ở nhiệt độ phòng. Nhưng nó có tính cạnh tranh kinh tế với kim cương tổng hợp hay không thì vẫn còn chờ đó. Kim cương tổng hợp được chế tạo ở nhiệt độ khoảng 1500oC. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tin rằng OACC có tiềm năng có nhiều công dụng cơ, điện tử và cơ điện.
Hiện nay, Wang và đội của ông đang tiếp tục kiểm tra các tính chất của OACC và khảo sát cấu trúc nguyên tử của những đám carbon đã co lại của nó, đồng thời nghiên cứu những chất liệu nào có thể chế tạo được với các phân tử dung môi khác ở áp suất cao.
Đây chính là phương diện mà Parsons cảm thấy hứng thú nhất. “Cái nổi bật ở công trình nghiên cứu này đối với tôi,” ông nói, “là ở chỗ carbon-60 sẽ kết tinh với những dung môi khác nữa và mỗi dung môi có một tính tuần hoàn khác nhau, cho phép bạn xử lí kĩ thuật những cấu trúc tinh thể khác nhau bằng cách thay đổi dung môi.
Tham khảo: http://www.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.1220522
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
