Các nhà khoa học Nam Hàn phát triển phương pháp sản xuất kim cương chất lượng cao chỉ trong 3 giờ
Các nhà khoa học Nam Hàn cho biết họ đã phát triển một phương pháp mới tạo ra kim cương tổng hợp chất lượng cao chỉ trong ba giờ đồng hồ.
Hồi cuối tháng Tư, các nhà khoa học từ Viện Khoa học cơ bản (IBS) của Nam Hàn đã công bố một nghiên cứu trên tạp chí khoa học Nature về việc phát triển phương pháp sử dụng kim loại lỏng trong nồi nấu bằng than chì với metan (CH4) và khí hydro (H2) ở mức 1,025 độ C (1,877 độ F) và áp suất khí quyển để tạo ra tinh thể kim cương. Nghiên cứu đã thu hút được 14,000 lượt xem và đưa tin từ gần 70 hãng truyền thông, được xếp hạng cao trong các báo cáo khoa học.
Phương pháp cải tiến này sử dụng hỗn hợp kim loại lỏng gồm gali, sắt, niken, và silicon để kích hoạt xúc tác và khuếch tán các nguyên tử cacbon, tạo thành kim cương tại bề mặt tiếp xúc với nồi nấu bằng than chì, giảm đáng kể yêu cầu về áp suất và nhiệt độ so với tổng hợp kim cương truyền thống dùng áp suất và nhiệt độ cao (HPHT).
Mặc dù các tinh thể kim cương được tạo ra có đường kính chưa đến 100 nanomet, nhưng màng kim cương thu được có thể được làm sạch bề mặt dính kim loại bằng dung dịch axit clohydric và chuyển đi bất cứ đâu.
Những tinh thể và màng này được các ngành điện tử và quang học tân tiến đặc biệt quan tâm, vì việc sản xuất màng kim cương trước đây đòi hỏi phải có thiết bị đắt tiền. Trong khi đó, phương pháp mới này giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất và chuyển giao.
Kim cương là một trong những vật liệu cứng nhất trên Trái đất, có mật độ nguyên tử và độ dẫn nhiệt cao nhất, với độ cứng Brinell khoảng 45,000 BHN, mật độ 3,500 kg/m3 (219.37185 lb/ft³) và độ dẫn nhiệt khoảng 1000 W/ (m·K).
Tuy nhiên, sự khan hiếm và giá thành cao của kim cương tự nhiên đặt ra nhiều thách thức. Theo công ty chuyên về cơ sở dữ liệu Statista, nhu cầu kim cương hàng năm vào khoảng 292 triệu carat (khoảng 64.4 tấn), việc khai thác kim cương tự nhiên không thể đáp ứng được nhu cầu này, dẫn đến buộc phải sử dụng kim cương tổng hợp.
Theo thống kê của Kimberley Process, vào năm 2022, sản lượng kim cương tự nhiên toàn cầu là gần 121.5 triệu carat (khoảng 26 tấn), có trị giá gần 16.3 tỷ USD.
Theo The Diamond Pro, hiện tại, một viên kim cương tự nhiên cắt tròn 2 carat, độ trong cao, không màu có thể có giá khoảng 16,000 USD, trong khi một viên kim cương được tạo trong phòng thí nghiệm có thông số kỹ thuật tương tự có giá khoảng 2,600 USD.
Kim cương tự nhiên bao gồm cấu trúc nguyên tử carbon ba chiều được sắp xếp chặt chẽ, khiến cho ít tạp chất có thể xâm nhập. Khi các nguyên tố như nitơ (N), silicon (Si), hoặc các tạp chất khác lẫn vào, chúng có thể khiến kim cương có các màu sắc khác nhau.
Ví dụ, boron tạo ra kim cương xanh, nitơ tạo ra kim cương vàng, khuyết điểm bên trong mạng tinh thể dẫn đến màu nâu và việc tiếp xúc với bức xạ có thể tạo ra kim cương xanh. Ngoài ra, kim cương tự nhiên có thể xuất hiện với các màu hiếm như tím, hồng, cam, đỏ, có giá trị cao hơn kim cương thông thường.
Các nhà khoa học tin rằng kim cương tự nhiên hình thành ở nhiệt độ từ 900 độ C (1,652 độ F) đến 1,400 độ C (2,552 độ F) và áp suất từ 5 đến 6 Gigapascal, mặc dù thời gian hình thành không cố định do tính chất không liên tục của quá trình hình thành.
Kim cương nhân tạo thường được tổng hợp bằng hai phương pháp, có thể tạo ra những viên kim cương có kích cỡ centimet hoặc lớn hơn. Phương pháp đầu tiên, lắng đọng hơi hóa học (CVD), tạo ra kim cương từ hỗn hợp khí hydrocarbon, và thường sử dụng các vật liệu như oxit zirconium và cacbua silic.
Phương pháp thứ hai, nhiệt độ cao áp suất cao (HPHT), lần đầu tiên được các nhà khoa học General Electric áp dụng vào năm 1955 để tổng hợp kim cương ở nhiệt độ 7 GPa và 1,600 độ C (2,812 độ F). Phương pháp này tạo ra những viên kim cương đơn tinh thể có kích cỡ centimet khối trong 5 đến 12 ngày. Mặc dù đã trở thành xu hướng chủ đạo nhưng kích cỡ của kim cương HPHT thường bị hạn chế, khiến các nhà khoa học phải khám phá các lựa chọn thay thế trong điều kiện ôn hòa hơn.
Minh Đức biên dịch
Quý vị tham khảo bản gốc từ The Epoch Times
