Kim cương có thể được nén thành một thứ thậm chí còn cứng hơn chính nó và các nhà khoa học đã biết cách lấy được vật liệu này .
Các nhà vật lý Mỹ và Thụy Điển đã sử dụng mô phỏng động lực phân tử chính xác lượng tử trên siêu máy tính để hiểu cách thức hoạt động của kim cương trong điều kiện áp suất cao, nhiệt độ tăng và không ổn định. Họ đã khám phá ra những điều kiện đưa các nguyên tử carbon của kim cương trở thành một cấu trúc đặc biệt chưa từng thấy trước đây.
Minh họa vật liệu composite carbon BC8 hay còn gọi là siêu kim cương. (Ảnh: Mark Meamber/LLNL).
Kim cương được coi là vật liệu cứng nhất trên Trái đất, nhưng cấu trúc trên, được gọi là pha BC8 , cứng hơn kim cương 30%. Pha BC8 đã được quan sát thấy ở hai vật liệu là silicon và germanium. Việc ngoại suy các đặc tính của BC8 trong hai vật liệu này đã giúp các nhà khoa học xác định pha BC8 sẽ phản ứng như thế nào trong carbon.
Pha BC8 không tồn tại trên Trái đất nhưng nó hiện diện trong không gian ở môi trường áp suất cao trên các ngoại hành tinh. Về lý thuyết, đây là dạng carbon cứng nhất có thể duy trì ổn định ở áp suất cao gấp 10 triệu lần áp suất khí quyển Trái đất. Nếu tổng hợp được thì chúng ta sẽ có cơ hội nghiên cứu và ứng dụng những nguyên liệu vô cùng quý giá.
Kim cương rất cứng nhờ cấu trúc nguyên tử của nó. Kim cương được sắp xếp theo mạng tứ diện, mỗi nguyên tử carbon bên trong nó liên kết tứ diện với bốn nguyên tử gần nhất, phù hợp với cấu hình tối ưu của các electron ngoài cùng của chính nguyên tử carbon.
Nhà vật lý Jon Eggert tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, Mỹ, cho biết cấu trúc BC8 duy trì hình dạng tứ diện của kim cương nhưng không có các mặt phẳng phân tách như trong cấu trúc kim cương. Pha BC8 của carbon trong điều kiện môi trường xung quanh chúng ta cứng hơn nhiều so với kim cương.
Nhưng mặc dù carbon BC8 có thể tồn tại đâu đó xung quanh chúng ta nhưng những nỗ lực tổng hợp nó trong phòng thí nghiệm cho đến nay vẫn thất bại.
Nhóm nghiên cứu do nhà vật lý Nguyễn Công Kiên tại Đại học Nam Florida, Mỹ dẫn đầu đã cố gắng khai thác sức mạnh của siêu máy tính để tìm ra những lỗi khiến chúng không thể thành công.
Siêu máy tính Frontier tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge, Mỹ, hiện là siêu máy tính nhanh nhất thế giới. Với nó, nhóm nghiên cứu đã phát triển một mô phỏng tương tác giữa các nguyên tử riêng lẻ trong một loạt điều kiện nhiệt độ và áp suất cực cao. Họ đã tái tạo lại quá trình tiến hóa của hàng tỷ nguyên tử carbon trong những điều kiện khắc nghiệt.
Kết quả cho thấy tại sao việc tổng hợp carbon BC8 khó đạt được. Nhà vật lý Olyenik giải thích: “Chúng tôi dự đoán rằng pha BC8 sau kim cương sẽ chỉ có thể đạt được bằng thực nghiệm ở vùng hẹp, nhiệt độ cao, áp suất cao của sơ đồ pha carbon”.
Nói cách khác, chỉ có một phạm vi nhiệt độ và áp suất cao mà carbon BC8 có thể hình thành và cho đến nay các thí nghiệm vẫn chưa đáp ứng được những điều kiện đó. Tuy nhiên, hiện nay chúng ta đã biết những điều kiện đó là gì và với những nỗ lực hơn nữa để tạo ra những điều kiện và môi trường như vậy, chúng ta sẽ có thể tổng hợp được carbon BC8.
- Kim cương có còn là vật liệu cứng nhất thế giới?
- Chất liệu được mệnh danh là “chén thánh” cứng gấp 40 lần kim cương
- Khám phá bí mật của vật liệu cứng nhất hành tinh, cứng hơn cả kim cương
