Bắn tia laser cực mạnh vào nhựa có thể tạo ra hàng tỷ viên kim cương

Các nhà nghiên cứu tại Viện Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) và Đại học Rostock vừa thu hồi thành công các hạt kim cương siêu nhỏ nguyên vẹn được tạo ra từ việc bắn tia laser công suất cao vào màng nhựa thông thường.

Đột phá tạo kim cương nano từ nhựa mở ra ứng dụng y tế và cảm biến

Những viên kim cương nano này có kích thước trung bình chỉ 3 nanomet, chứa khoảng 3.000 nguyên tử carbon và duy trì cấu trúc ổn định sau khi chuyển từ điều kiện nhiệt độ và áp suất cực hạn về môi trường bình thường. Kỹ thuật này tạo ra các hạt có độ tinh khiết cao và kích cỡ đồng đều mà các phương pháp truyền thống như dùng thuốc nổ quy ước không thể đạt tới.

Các nhà khoa học biến màng nhựa thành kim cương bằng tia laser công suất lớn.

Thí nghiệm ban đầu nhằm mô phỏng môi trường khắc nghiệt bên trong Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương, nơi nhiệt độ đạt hàng ngàn độ C cùng áp suất gấp hàng triệu lần khí quyển Trái Đất.

Tại cơ sở Extreme Light Infrastructure (ELI) ở phía nam Prague (thủ đô Cộng hòa Séc), nhóm nghiên cứu sử dụng hệ thống laser bắn ba lần mỗi phút vào màng nhựa PET dày 100 micromet để tạo sóng xung kích nén carbon thành kim cương. Tốc độ hình thành kim cương diễn ra nhanh bất ngờ, thúc đẩy các nhà khoa học nhanh chóng tìm kiếm giải pháp ứng dụng công nghệ vào thực tiễn.

Khi sóng nén đẩy các hạt kim cương văng vào môi trường chân không với vận tốc hơn 10 km/giây, tương đương một vụ va chạm thiên thạch, nhóm nghiên cứu đã sử dụng lớp gel ion hòa tan trong nước để tạo cú "hạ cánh mềm" tránh làm vỡ cấu trúc.

Sau khoảng 100 lần bắn với sản lượng ước tính 10 ngàn tỷ viên mỗi lần, các chuyên gia đã thu gom được vài trăm microgam vật liệu để phân tích dưới kính hiển vi điện tử ELMI-MV. Tác giả chính Ben Heuser từ HZDR cho biết thiết bị này thậm chí có thể phân giải đến từng nguyên tử đơn lẻ của hạt.

Hình minh họa chế tạo kim cương nano từ nhựa chai.

Nhờ kích thước siêu nhỏ mang lại diện tích bề mặt lớn, các viên kim cương nano này mở ra tiềm năng ứng dụng làm chất xúc tác quang hóa như phân tách khí CO2, chế tạo cảm biến lượng tử hay làm chất cản quang cho kỹ thuật chụp cộng hưởng từ (MRI). Ngoài ra, cấu trúc ban đầu từ nhựa cũng giúp quá trình pha tạp thêm các nguyên tử của nguyên tố khác vào kim cương trở nên thuận lợi hơn để phục vụ các tác vụ chuyên biệt.

Nhóm nghiên cứu đang hướng tới mục tiêu nâng quy mô sản xuất lên mức miligam nhờ các hệ thống laser tiết kiệm năng lượng hơn, tương đương sản lượng của các phương pháp công nghiệp.