Trung Quốc phát triển được loại thủy tinh cứng như kim cương

Có tên dự kiến ​​là AM-III, nó có thể để lại vết xước sâu trên bề mặt kim cương một cách dễ dàng, trong khi vẫn giữ được khả năng truyền điện để trở thành một chất bán dẫn tiềm năng.

Sử dụng kim cương để cắt thủy tinh không phải là tin mới, nhưng một nhóm nghiên cứu ở miền bắc Trung Quốc gần đây đã phát triển loại vật liệu thủy tinh cứng nhất thế giới, có thể để lại vết xước sâu trên bề mặt kim cương một cách dễ dàng.

AM-III (tên gọi dự kiến), là một vật liệu trong suốt, hơi ngả vàng được làm hoàn toàn bằng carbon, đạt 113 gigapascal (GPa) trong Phép kiểm tra độ cứng Vicker. Để so sánh, một viên đá kim cương tự nhiên thường có điểm số từ 50 đến 70, còn một số viên kim cương nhân tạo đang đứng đầu ở mức 100 GPa.

Mặc dù có thể mất nhiều năm nữa để sản xuất hàng loạt và giá cả sẽ không rẻ, nhưng một tấm kính chống đạn được làm bằng AM-III có thể cứng hơn từ 20 đến 100 lần so với một số sản phẩm phổ thông hiện đang được sử dụng trên thị trường.

Các nhà nghiên cứu cho biết vật liệu thủy tinh trông không hấp dẫn như đồ trang sức, nhưng nó có một số ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp công nghệ cao.

Ví dụ, AM-III là một chất bán dẫn gần như hiệu quả như silicon.

Khả năng truyền dòng điện theo ý muốn này khiến nó trở thành một ứng cử viên sáng giá để sử dụng trong các thiết bị quang điện, bao gồm cả vũ khí, cần hoạt động trong môi trường khắc nghiệt như áp suất và nhiệt độ cao.

Giáo sư Tian Yongjun và các đồng nghiệp thuộc Trung tâm Khoa học áp suất cao thuộc Đại học Yanshan (Yến Sơn) ở Tần Hoàng Đảo, tỉnh Hà Bắc cho biết trên tạp chí National Science Review: "Sự xuất hiện của loại vật liệu carbon vô định hình bán dẫn siêu cứng, siêu bền này mang đến những ứng cử viên xuất sắc cho các ứng dụng thực tế khắt khe nhất".

Kim cương là một tinh thể. Trong tinh thể, các nguyên tử và phân tử sắp xếp theo thứ tự và hướng hoàn hảo. Nhưng nếu có quá nhiều thứ tự và hướng, cấu trúc bên trong biến thành một mớ hỗn độn và vật liệu trở thành thủy tinh.

Nói chung, thủy tinh là yếu. Nhưng AM-III không hoàn toàn là một mảnh thủy tinh mà là một loại thủy tinh có các tinh thể bên trong, theo Tian và các đồng nghiệp.

Dưới kính hiển vi, các cấu trúc chi tiết nhất của vật liệu xuất hiện theo thứ tự, giống như các tinh thể. Nhưng phóng to một chút sẽ thay đổi bức tranh, thành một mớ hỗn độn hoàn toàn, trông giống như vô số con sâu bị đông cứng trong một cái đĩa.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sự kết hợp giữa trật tự và rối loạn này có thể mang lại cho vật chất một số đặc điểm bất thường. Họ đã sản xuất nhiều loại vật liệu mới với sự kết hợp trật tự khác nhau. AM-III có tỷ lệ nguyên tử và phân tử theo thứ tự cao nhất, để đạt được độ bền cao nhất.

Tuy nhiên, các cấu trúc có trật tự không thể tăng thêm vì nó sẽ biến vật liệu thành kim cương và giết chết tính bán dẫn và một số đặc tính khác vốn chỉ có thể tồn tại trong vật liệu ở trạng thái hỗn loạn.

Vào năm 2013, nhóm của Tian đã tạo ra vật liệu cứng nhất thế giới có thể nhìn thấy bằng mắt thường, một tinh thể boron nitride cứng gấp đôi (200 GPa) so với kim cương và kỷ lục này vẫn được giữ vững.

Nhưng theo một số cách, việc chế tạo thủy tinh siêu bền phức tạp hơn.

Kim cương nhân tạo được sản xuất từ ​​than chì rẻ tiền dưới tác dụng của nhiệt và áp suất. Nhưng việc sản xuất AM-III đòi hỏi phải có fullerene, một loại vật liệu phức tạp hơn bao gồm các phân tử tương tự như quả bóng đá với cấu trúc rỗng được tạo thành từ các nguyên tử carbon. Fullerene rất mềm nên nó được sử dụng trong một số sản phẩm mỹ phẩm. Tuy nhiên, dưới sức nóng và áp suất ngày càng tăng, các "quả bóng" carbon sẽ bị nghiền nát và hòa trộn với nhau.

Tian và các đồng nghiệp đã tăng áp suất trong buồng thí nghiệm lên 25 GPa và nhiệt độ lên 1.200 độ C (2.192 độ F). Một số nhóm các nhà khoa học đã từng tiến hành thử nghiệm với fullerene trước đó, nhưng không ai sử dụng điều kiện khắc nghiệt như vậy vì họ sợ nó sẽ biến vật liệu thành kim cương. Theo nhóm nghiên cứu Trung Quốc, họ đã dành hơn 12 giờ để tăng dần nhiệt và áp suất đến mức tối đa, và dành một khoảng thời gian tương đương để vật liệu nguội dần.

Trên thế giới, từ lâu các quốc gia đã có sự cạnh tranh gay gắt để tạo ra vật liệu siêu cứng. Nhưng với AM-III, nó được ra đời từ sự hợp tác quốc tế.

Các nhà khoa học từ Thụy Điển, Hoa Kỳ, Đức và Nga đã tham gia thử nghiệm ở Trung Quốc. Theo báo cáo của họ, những cộng tác viên nước ngoài này đã giúp đỡ nhóm Trung Quốc bằng cách đưa ra những ý tưởng mới và phân tích dữ liệu.

Các nhà khoa học đã tạo ra nhiều vật liệu mạnh mẽ. Ví dụ, Graphene có thể chống lại hơn 400 GPa trên lý thuyết. Nhưng sức mạnh như vậy chỉ tồn tại khi vật liệu này có độ dày bằng một nguyên tử. Chồng nhiều lớp graphene với nhau sẽ biến nó thành graphite mềm, có tính năng thông thường.

Kết quả là, các ứng dụng của nhiều vật liệu siêu cứng bị giới hạn ở một lớp phủ mỏng trên bề mặt của vật liệu khác. Tuy nhiên, AM-III có thể được sản xuất với nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau. Và không giống như kim cương có một số bề mặt yếu vì sự liên kết kỳ dị của các nguyên tử của nó, còn AM-III thì rất cứng ở cả xung quanh.

Các thuộc tính này sẽ làm tăng thêm tiềm năng ứng dụng của nó trong tương lai, theo các nhà nghiên cứu.