Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Tổng hợp kim cương dễ dàng từ ‘kim cương’ thấp hơn (11/03/2020)

Trong một báo cáo mới được công bố trên Science Advances, Sulgiye Park và một nhóm nghiên cứu về khoa học địa chất, vật liệu và khoa học năng lượng, nghiên cứu tiên tiến và các nguồn bức xạ tiên tiến ở Hoa Kỳ và Bắc Kinh, Trung Quốc, đã phát triển được vật liệu nano dựa trên carbon với các đặc tính rất đặc biệt.

Hình ảnh minh họa.

Họ đã sử dụng "diamondoids" mới như một tiền chất đầy hứa hẹn để tạo ra kim cương. Điều kiện áp suất và nhiệt độ thấp nhất để tạo ra kim cương trong nghiên cứu này là 12 Gpa ở mức xấp xỉ 2000K và 900K ở áp suất tương ứng là 20 GPa. Công trình nghiên cứu của họ cho thấy các rào cản để biến đổi ít hơn đáng kể so với việc tổng hợp kim cương khi sử dụng các đồng vị hydrocarbon thông thường.

Việc chuyển hóa kim cương thành kim cương trong nghiên cứu diễn ra nhanh chóng trong 19µs ở 20 GPa. Bằng việc sử dụng các mô phỏng động lực phân tử, họ đã chỉ ra rằng quá trình khử hydro cho phép các khung carbon kim cương còn lại tự tái cấu trúc thành các cấu trúc giống như kim cương ở điều kiện áp suất và nhiệt độ cao (P-T). Nghiên cứu này cũng đã lập thành công bản đồ các điều kiện P-T và thời điểm bắt đầu chuyển đổi kim cương thành kim cương để giải thích rõ ràng các yếu tố hóa học và vật lý tạo điều kiện cho quá trình tổng hợp kim cương.

Kim cương có nhiều tính chất tuyệt vời và là một trong những vật liệu quan trọng nhất về mặt kỹ thuật và thương mại. Kể từ những nỗ lực đầu tiên để tổng hợp kim cương vào thế kỷ 19, các nhà khoa học vật liệu đã phát triển những nỗ lực phối hợp để thiết kế các phương pháp tiết kiệm năng lượng và tiền chất để tạo ra kim cương chất lượng cao. Do rào cản năng lượng để chuyển đổi trực tiếp tiền chất carbon thành pha kim cương lớn nên thường cần phải có thuốc thử. Để nắm được các cơ chế cơ bản cho công nghệ tổng hợp kim cương, việc thiết kế một hệ thống tiền chất mới để tổng hợp kim cương một cách dễ dàng với rào cản năng lượng và thời gian thấp hơn là một tiến bộ lớn.

Diamondoids là cấu trúc nhỏ nhất của khung carbon kết thúc hydro (hydrogen-terminated carbon cages) mà có thể được đặt chồng lên trên mạng tinh thể kim cương. Vật liệu được làm hoàn toàn bằng các liên kết lai sp3 và có các đặc tính đặc biệt khác bao gồm độ cứng, độ ổn định nhiệt và tính đồng nhất ở cấp độ nguyên tử, liên quan đến kim cương khối. Trong khi các nghiên cứu trước đó xác nhận việc sử dụng kim cương như tiền chất kim cương đầy hứa hẹn, ở nghiên cứu này, các nhà khoa học lại tìm cách tìm hiểu các con đường cơ học về sự biến đổi kim cương thành kim cương thông qua các nghiên cứu có hệ thống pha nhiệt độ áp suất (P-T).

Park và các cộng sự đã sử dụng tế bào kim cương (diamond anvil cells) được đốt nóng bằng laser (DACs) để tìm kiếm sự tổng hợp kim cương từ một loạt các diamondoids thấp hơn như adamantane, diamantane và triamantane mà không cần sử dụng thuốc thử bổ sung. Nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy sự biến đổi của kim cương thấp hơn thành kim cương với rào cản năng lượng và thời gian ít hơn đáng kể khi so sánh với các vật liệu carbon (hydro) khác ở ranh giới P-T thấp nhất.

Khi đốt nóng kim cương bằng laser ở áp suất cao, nhóm nghiên cứu quan sát thấy được hai pha riêng biệt góp phần vào sự hình thành than chì và kim cương khối. Ở 20 GPa và ~ 1200 đến 2200K, kim cương được hình thành, không có than chì. Khi nhóm nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện, quá trình chuyển pha kim cương thành kim cương xảy ra trực tiếp mà không hình thành than chì. Nhóm nghiên cứu cũng đã sử dụng hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để xác minh sự hình thành kim cương từ triamantane ở 20 GPa và 2000K.

Nhóm nghiên cứu cũng điều tra thời điểm bắt đầu hình thành kim cương bằng cách kiểm soát thời gian đốt nóng laser đối với adamantane, diamantane và triamantane. Họ đã thực hiện phân tích định tính kích thước hạt kim cương bằng nhiễu xạ tia X hai chiều (XRD) để hiển thị kích thước hạt kim cương tăng lên khi gia nhiệt bằng laser. Ngoài ra, họ cũng sử dụng mô phỏng động lực phân tử khởi tạo (AIMD) để chứng minh các kết quả thử nghiệm và xác nhận con đường chuyển đổi kim cương thành kim cương.

Từ kết quả nghiên cứu, Sulgiye Park và các đồng nghiệp đã cho thấy diamondoids là ứng cử viên đầy triển vọng cho việc tổng hợp kim cương.

Nguồn: P.T.T (NASATI)/www.vista.gov.vn

Cập nhật: 10/3/2020