Cứng như kim cương, dai hơn cả áo giáp: Trung Quốc tạo vật liệu “không thể bị phá”

Một nhóm các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc đã tìm ra cách làm cho vật liệu cứng nhất thế giới trở nên bền hơn mà không làm giảm độ cứng của nó. Ảnh: Shutterstock.

Các nhà khoa học Trung Quốc tuyên bố đã phát triển một loại kim cương gần như không còn “gót chân Asin” – có thể chịu được những tác động mạnh mà không dễ bị vỡ như kim cương thông thường.

Theo nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học bình duyệt Nature Synthesis, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một vật liệu composite dựa trên kim cương có độ dai tăng khoảng 6 lần, trong khi vẫn duy trì độ cứng vốn có của kim cương.

Đây là một bước tiến đáng chú ý bởi kim cương, dù được xem là vật liệu tự nhiên cứng nhất Trái Đất, lại có một nhược điểm lớn: rất giòn. Một cú va đập mạnh hoặc tác động đúng điểm yếu có thể khiến kim cương nứt hoặc vỡ.

Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã tìm cách giải quyết bài toán này: làm kim cương dai hơn mà không phải hy sinh độ cứng. Tuy nhiên, việc tăng một đặc tính thường kéo theo sự suy giảm của đặc tính còn lại – một sự đánh đổi được chấp nhận trong nhiều ứng dụng công nghiệp, chẳng hạn dụng cụ cắt, mài và đánh bóng.

Lần này, nhóm nghiên cứu đến từ Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Đại học Hàng không Vũ trụ Bắc Kinh đã tìm ra một hướng tiếp cận khác.

Thay vì thay đổi trực tiếp cấu trúc của kim cương, họ tạo ra một “bộ khung gia cường” bên trong vật liệu, giúp tăng đáng kể khả năng chống nứt và chống phá hủy.

Theo nghiên cứu, vật liệu mới thậm chí có độ dai cao hơn một số hợp kim tungsten được sử dụng trong đạn xuyên giáp.

“Bí mật” nằm trong những sợi carbon siêu nhỏ

Chìa khóa của công nghệ mới là ống nano carbon đa lớp (MWCNT) – những cấu trúc carbon dạng sợi có kích thước cực nhỏ nhưng độ bền cơ học rất cao.

Các ống nano này mỏng đến mức chỉ khoảng 1/10.000 đường kính một sợi tóc người, nhưng có thể bền hơn thép hàng chục lần.

Những nỗ lực trước đây nhằm đưa ống nano carbon vào vật liệu gốm hoặc kim loại không mang lại hiệu quả như kỳ vọng. Nguyên nhân nằm ở chỗ các ống nano và vật liệu nền chủ yếu chỉ tiếp xúc vật lý với nhau, khiến lực không được truyền tải hiệu quả giữa hai thành phần.

Nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã lựa chọn một phương pháp khác.

Đầu tiên, các nhà khoa học trộn kỹ bột kim cương siêu mịn với ống nano carbon. Hỗn hợp sau đó được đưa vào môi trường nhiệt độ và áp suất cực cao: khoảng 2.000 độ C và 15 gigapascal (GPa), tương đương khoảng 150.000 lần áp suất khí quyển thông thường.

Mức áp suất này được kiểm soát rất chặt chẽ. Nó phải đủ cao để các vật liệu liên kết với nhau, nhưng không được quá cao đến mức biến các ống nano carbon thành kim cương. Đồng thời, áp suất cũng không thể quá thấp vì khi đó vật liệu carbon có thể chuyển thành graphite.

Kết quả là các ống nano vẫn giữ được cấu trúc dạng sợi, đồng thời hình thành những liên kết hóa học bền vững với kim cương ở cấp độ nguyên tử.

Các nhà nghiên cứu ví mạng lưới ống nano này giống như thép cốt trong bê tông cốt thép.

Chúng tạo thành một mạng lưới ba chiều liên tục nằm giữa các hạt kim cương, trong khi bản thân các hạt kim cương cũng liên kết trực tiếp với nhau.

Cấu trúc này giúp vật liệu không chỉ giữ được độ cứng rất cao mà còn có khả năng hấp thụ và phân tán năng lượng khi chịu lực.

Kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy vật liệu composite mới có độ cứng khoảng 91,6 GPa, tương đương kim cương đơn tinh thể thông thường.

Trong khi đó, độ dai của vật liệu đạt tới 36,4 MPa·m¹ᐟ², cao gấp khoảng 5-6 lần so với kim cương thông thường và vượt qua mức điển hình của nhiều hợp kim tungsten.

Nói cách khác, nhóm nghiên cứu đã tìm cách giải quyết một nghịch lý lâu nay của kim cương: vẫn cực kỳ cứng nhưng khó bị nứt vỡ hơn đáng kể.

Những ứng dụng tiềm năng

Tiềm năng ứng dụng của vật liệu mới được đánh giá là rất rộng.

Nhóm nghiên cứu cho biết vật liệu có thể được sử dụng để chế tạo các dụng cụ cắt siêu cứng, phục vụ gia công kim loại và vật liệu gốm. Ngoài ra, nó còn có thể được ứng dụng trong mũi khoan địa chất, thiết bị khai thác và các linh kiện hàng không vũ trụ đòi hỏi khả năng chịu mài mòn và chịu lực cực cao.

Điểm đáng chú ý không chỉ nằm ở việc vật liệu cứng đến đâu, mà còn ở cách nó chống lại sự lan truyền của vết nứt.

Các nhà khoa học sử dụng kính hiển vi điện tử để quan sát quá trình hình thành và phát triển của các vết nứt khi vật liệu bị kéo giãn.

Trong kim cương thông thường, một khi vết nứt xuất hiện, nó có xu hướng lan thẳng qua vật liệu theo kiểu giòn, tương tự như hiện tượng kính bị vỡ.

Nhưng trong vật liệu composite mới, các ống nano carbon làm thay đổi hoàn toàn quá trình này.

Thay vì để vết nứt chạy thẳng, mạng lưới ống nano khiến đường nứt bị bẻ hướng và phân tán. Hàng loạt “sợi dây” nano kéo và giữ vết nứt từ nhiều hướng, hấp thụ một lượng lớn năng lượng, qua đó ngăn vết nứt phát triển nhanh và phá hủy toàn bộ vật liệu.

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Cơ sở Người dùng Điều kiện Cực đoan Hiệp đồng Quốc gia tại Khu Khoa học Hoài Nhu ở Bắc Kinh – một cơ sở được xây dựng để cho phép các nhà khoa học nghiên cứu và thử nghiệm vật liệu trong những môi trường nhiệt độ, áp suất và điều kiện cực đoan.

Nếu công nghệ này có thể được mở rộng từ quy mô phòng thí nghiệm lên sản xuất công nghiệp, nó có thể mở ra một hướng mới cho vật liệu siêu cứng: thay vì chỉ tập trung vào việc làm vật liệu “cứng hơn”, các nhà khoa học có thể đồng thời thiết kế một cấu trúc bên trong đủ dai để ngăn vật liệu bị phá hủy khi chịu va đập.

Đây cũng là điểm khiến phát hiện mới đáng chú ý: kim cương vốn đã rất khó bị làm xước, nhưng thách thức lớn hơn từ lâu lại là khiến nó khó bị phá vỡ.