Tìm ra siêu vật liệu cứng hơn kim cương

Siêu vật liệu nanocrystalline có thể làm mẻ kim cương, vật liệu được coi là cứng nhất thế giới từ trước tới nay. Ảnh: Alamy

Siêu vật liệu có tên khối cầu kim cương nanocrystalline là kết quả nghiên cứu của nhà vật lý Natalia Dubrovinskaia cùng các cộng sự tại đại học Bayreuth, Đức. Trong phòng thí nghiệm, Dubrovinskaia đã tạo ra sức ép gấp ba lần sức chịu đựng của lõi Trái Đất chống lại hàng tỷ tấn đất đá ép xuống từ bề mặt bằng một thiết bị nhỏ gọn để thử thách vật liệu mới.

Đây là bước đột phá mới nhất trong hành trình nghiên cứu "thuật giả kim hiện đại" suốt nhiều thập kỷ, nhằm tìm kiếm vật liệu cứng hơn kim cương của giới khoa học với không ít thất bại.

Theo BBC, khối cầu kim cương nanocrystaline có dạng carbon độc nhất, tạo thành từ rất nhiều tinh thể siêu nhỏ đơn lẻ, mỗi tinh thể nhỏ hơn tiết diện tóc người 11.000 lần. Các tinh thể liên kết với nhau bởi lớp graphene với độ dày chỉ bằng một nguyên tử.

Nanocrystaline có thể chịu được áp lực ít nhất là 460 Giga Pascals (GPa), trong khi kim cương "đầu hàng" tại mốc 120 GPa. Khối cầu kim cương Nanocrystaline cũng có thể vượt qua tổng lực ép lên tới 1.000 GPa (tương đương khoảng 3.000 con voi trên một chiếc giày gót nhọn), biến chúng trở thành vật liệu cứng nhất trên Trái Đất hiện nay.

"Đây là vật liệu cứng nhất trong tất cả vật liệu siêu cứng vì nó có thể làm biến dạng tất cả vật liệu còn lại", Dubrovinskaia nói.

Khối cầu nano kim cương được xem là vật liệu cứng nhất trong tất cả vật liệu siêu cứng. Ảnh: Natalia Dubrovinskaia et al/Scientific Advances

Các khối cầu kim cương có đặc tính trong suốt, cho phép chúng trở thành những len kính siêu nhỏ giúp giới nghiên cứu quan sát được vật liệu bị nghiền nát bằng tia X-quang.

"Chúng ta có thể tạo áp lực lên vật chất và quan sát xem điều gì xảy ra. Đạt tới áp lực siêu lớn mở ra chân trời mới để hiểu kỹ hơn một vấn đề", Dubrovinskaia nhận định.

Hiện Dubrovinskaia cùng cộng sự ứng dụng kết quả này trong nghiên cứu osimi, kim loại chống nén mạnh nhất thế giới. Họ nhận thấy kim loại này có thể chịu áp lực tới 750 GPa, tại đó các electron bên trong vốn liên kết chặt chẽ với hạt nhân nguyên tử và rất ổn định, bắt đầu tương tác với nhau. Giới khoa học tin rằng phản ứng kỳ lạ sẽ khiến kim loại chuyển từ thể rắn sang một trạng thái mới chưa từng biết tới.

Khối nano kim cương siêu cứng được nghiên cứu ứng dụng trong công nghiệp mỹ phẩm do tính thấm hút tốt. Ngành dược cũng bắt đầu khám phá đặc tính của khối cầu nano kim cương để bào chế các loại thuốc đặc biệt trong quy trình hóa trị những khu vực khó tiếp cận cửa cơ thể. Các nghiên cứu cũng cho thấy nano kim cương kích thích sự phát triển của hệ xương và sụn.

Đáng chú ý, khám phá mớ này có thể giải mã một vài bí ẩn của hệ Mặt Trời. Các nhà khoa học cho biết trong khi lõi Trái Đất chịu áp lực khoảng 360 GPa, sao Mộc được cho là có lực 4.500 GPa trong lõi. Trong điều kiện áp lực cực lớn, các nguyên tố bắt đầu có những phản ứng đặc biệt. Dubrovinskaia hy vọng kim cương siêu cứng có thể mô phỏng những điều kiện tương tự trong vũ trụ làm cơ sở cho nghiên cứu.