Đi tìm vật liệu cứng nhất trên Trái đất, kim cương không có cửa

Có ba chất trên Trái đất không cứng bằng kim cương, nhưng vẫn đáng được nhắc đến vì chúng hoạt động tốt về nhiều mặt. Với sự phát triển của công nghệ nano, cùng với sự hiểu biết tốt hơn về các vật liệu hiện đại ở quy mô nano, giờ đây chúng ta nhận ra rằng có nhiều thước đo có thể được sử dụng để đánh giá các đặc tính của những vật liệu cực đoan này.

Hãy bắt đầu với sinh học. Mặc dù tơ nhện nhìn rất mỏng manh, nhưng nó thực sự là một vật liệu rất bền. Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng của nó vượt trội hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống như nhôm và sắt, đồng thời nó rất mỏng và dính. Trong tất cả các loài nhện trên thế giới, tơ của nhện vỏ cây Darwin là mạnh nhất, mạnh hơn gấp 10 lần so với sợi Kevlar tổng hợp.

Một chất tự nhiên khác được gọi là cacbua silic (thường ở dạng moissanite) chỉ cứng hơn kim cương một chút. Các hạt cacbua silic đã được sản xuất trên quy mô lớn từ năm 1893. Silicon và carbon thuộc cùng một họ nguyên tố, và có thể tạo thành vật liệu cực kỳ cứng này ở áp suất cao nhưng nhiệt độ tương đối thấp thông qua một quá trình gọi là thiêu kết.

Những vật liệu này không chỉ phù hợp với nhiều trường hợp đòi hỏi độ cứng cao như má phanh, ly hợp, giáp thân, giáp xe tăng, v.v., mà còn có đặc tính bán dẫn tuyệt vời, vì vậy chúng cũng đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất linh kiện điện tử.

Khoảng 20 năm trước, các nhà khoa học lần đầu tiên phát triển những quả cầu silicon nano với đường kính từ 2 nanomet đến 50 nanomet. Điều đáng kinh ngạc nhất là những quả cầu nano này rỗng và không chỉ có thể tự lắp ráp thành những quả cầu mà còn có thể lồng vào nhau. Nó cũng là một trong những vật liệu cứng nhất mà con người biết đến, chỉ kém kim cương một chút về độ cứng.

Tự lắp ráp là một công cụ cực kỳ mạnh mẽ trong tự nhiên, nhưng so với vật liệu tổng hợp, vật liệu sinh học yếu hơn về mặt này. Các hạt nano tự lắp ráp này có thể được sử dụng để tạo ra các vật liệu tùy chỉnh như bộ lọc nước hoạt động tốt hơn, pin mặt trời hiệu quả hơn, chất xúc tác nhanh hơn hoặc thiết bị điện tử. Tuy nhiên, kịch bản ứng dụng lý tưởng nhất là bộ áo giáp được "may đo" theo cơ thể người dùng.

Trên thực tế, không một loại vật liệu nào ở trên có thể sánh được với độ cứng của kim cương. Trong tất cả các vật liệu được tìm thấy hoặc tạo ra trên Trái đất, kim cương là vật liệu cứng thứ bảy. Trong khi một số vật liệu tự nhiên (nhưng rất hiếm) và chất tổng hợp đã vượt qua kim cương về độ cứng, thì trong ấn tượng của nhiều người, kim cương vẫn là chất có độ cứng cao nhất.

Tuy nhiên, có sáu vật liệu đã đánh bại kim cương về độ cứng.

Số 6, Wurtzite boron nitride

Ngoài carbon, nhiều nguyên tử hoặc hợp chất khác có thể tạo thành tinh thể, và boron nitride là một trong số đó. Boron và nitơ lần lượt chiếm vị trí thứ năm và thứ bảy trong bảng tuần hoàn, và khi hai nguyên tố này kết hợp với nhau, chúng có thể tạo ra nhiều hợp chất khác nhau, bao gồm chất rắn vô định hình, hệ tinh thể lục phương (tương tự như than chì), hệ tinh thể lập phương (tương tự như kim cương, nhưng có cấu trúc kém hơn một chút sức mạnh), và wurtzite.

Trong số này, hình thức cuối cùng là cực đoan nhất và cũng là vật liệu cực kỳ cứng chắc. Vật liệu này được hình thành trong quá trình phun trào núi lửa và cho đến nay người ta mới chỉ tìm thấy một lượng rất nhỏ nên thực tế giới khoa học hiện nay không thể kiểm tra độ cứng của nó bằng thực nghiệm. Nhưng những mô phỏng mới nhất cho thấy nó có thể tạo thành một kiểu cấu trúc cứng hơn kim cương 18%.

Trong ảnh là hai viên kim cương được thu hồi từ miệng núi lửa Popigai. Bên trái là kim cương nguyên chất, bên phải là hỗn hợp kim cương và một lượng nhỏ Lonsdaleit. Nếu có bất kỳ viên đá Lonsdaleit không lẫn tạp chất nào, độ bền và độ cứng của nó sẽ tốt hơn kim cương nguyên chất nhiều lần.

Kim cương thực chết là tinh thể thuộc hệ tinh thể lập phương, còn Lonsdaleit thuộc hệ tinh thể lục giác, thành phần của nó tương như như kim cương nhưng có thể cứng hơn kim cương tới 58%. Do đó, người ta còn gọi Lonsdaleit là kim cưng lục phương (một dạng thù hình của cacbon với ô mạng lục phương). Trong tự nhiên, nó hình thành khi các thiên thạch chứa than chì va vào Trái Đất. Lượng nhiệt và áp suất lớn của vụ va chạm đã biến đổi than chì thành kim cương, nhưng cấu trúc ô mạng tinh thể lục phương của than chì vẫn được bảo tồn. Lonsdaleit được nhận dạng lần đầu tiên năm 1967 trong thiên thạch Canyon Diablo, thiên thạch này xuất hiện các tinh thể rất rất nhỏ có liên quan đến kim cương.

Dyneema là một loại polyme polyetylen nhiệt dẻo có trọng lượng phân tử cực cao. Hầu hết các phân tử chúng ta biết chỉ có vài nghìn đơn vị khối lượng nguyên tử, nhưng chuỗi phân tử của polyetylen khối lượng phân tử siêu cao thì cực kỳ dài, và trọng lượng của một phân tử có thể lên tới hàng chục triệu đơn vị khối lượng nguyên tử.

Với một chuỗi phân tử dài như vậy, sự tương tác giữa các phân tử sẽ được tăng cường đáng kể. Trên thực tế, vật liệu này có độ bền va đập cao nhất trong tất cả các loại nhựa nhiệt dẻo đã biết, được coi là vật liệu sợi mạnh nhất trên thế giới, vượt trội hơn tất cả các loại dây buộc và dây kéo trên thị trường, nhẹ hơn nước và có khả năng chống đạn.

Tất cả các vật liệu vật lý đều có hai đặc tính quan trọng: độ bền và độ dẻo dai; độ bền là lực cần thiết để làm biến dạng vật liệu và độ dẻo dai là lực cần thiết để làm vỡ hoặc gãy vật liệu. Hầu hết các chất liệu gốm sứ đều có độ bền cao nhưng độ dẻo dai rất kém, chúng dễ bị vỡ nếu kẹp quá chặt hoặc vô tình làm rơi. Các chất liệu đàn hồi như cao su thì ngược lại, tuy không dễ gãy nhưng chúng rất dễ biến dạng và có độ cứng cực thấp.

Hầu hết các vật liệu thủy tinh đều dễ vỡ, độ bền cao và độ dẻo dai thấp. Ngay cả kính cường lực như kính Pyrex hoặc kính Corning cũng không đủ cứng như một vật liệu riêng. Nhưng vào năm 2011, các nhà nghiên cứu đã phát minh ra một loại thủy tinh vi mô mới, có chứa 5 nguyên tố là phốt pho, silicon, germani, bạc và palladium. Trong số đó, palladium có thể tạo thành các dải cắt, cho phép thủy tinh bị biến dạng dẻo khi nó bị tác động và sẽ không bị phá vỡ trực tiếp. Vật liệu này là sự kết hợp độ bền và độ dẻo dai cực cao, dễ dàng đánh bại mọi loại thép cũng như thủy tinh hiện có và đây cũng là vật liệu không chứa carbon cứng nhất trên thế giới.

Số 2, Buckypaper

Kể từ cuối thế kỷ 20, một vật liệu gọi là ống nano carbon đã được biết đến là "cứng hơn kim cương". Chất này thuộc hệ tinh thể lục giác, cấu trúc tổng thể là hình elip, và tính ổn định của nó tốt hơn bất kỳ cấu trúc nào mà con người biết đến. Nếu bạn kết hợp một số lượng lớn các ống nano carbon vào một bề mặt phẳng, bạn sẽ có được một loại "giấy" mỏng gọi là buckypaper.

Ngoài buckypaper, có một cấu trúc cứng không kém được gọi là buckyball, được tạo thành từ 60 nguyên tử carbon liên kết với nhau. Buckyball cũng là một vật liệu tự nhiên có thể được hình thành trong một số môi trường vũ trụ nhất định. Buckyball mặc dù đã được ứng dụng trong lĩnh vực nano, nhưng nó vẫn chưa đạt được sản lượng định lượng, và tạm thời chưa thể hiện được "tài năng" của mình ở quy mô vĩ mô, vì vậy nó không được đưa vào danh sách này.

Để so sánh, mỗi ống nano tạo nên buckypaper chỉ có đường kính từ 2 đến 4 nanomet, nhưng cấu trúc rất chắc chắn nên nó có thể được kết hợp thành các tấm vật liệu có diện tích lớn hơn. Trọng lượng của nó chỉ bằng 10% thép, nhưng nó cứng hơn hàng trăm lần. Ngoài ra, vật liệu này còn có khả năng chống cháy, hiệu quả dẫn nhiệt cao, khả năng che chắn điện từ vượt trội, có triển vọng ứng dụng phong phú trong khoa học vật liệu, linh kiện điện tử, quân sự và thậm chí cả lĩnh vực sinh học.

Cuối cùng, chúng ta hãy xem xét cấu trúc mạng lục giác bao gồm các nguyên tử cacbon - graphene, chỉ dày một nguyên tử. Sau khi được điều chế thành công, graphene vảy được kỳ vọng sẽ trở thành vật liệu mang tính cách mạng nhất của thế kỷ 21. Graphene thực sự là thành phần cấu trúc cơ bản nhất của ống nano carbon và có rất nhiều tình huống ứng dụng.

Ở cùng độ dày, graphene là vật liệu mạnh nhất được biết đến, với khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện vô song, độ truyền ánh sáng đạt gần 100%. Giải Nobel Vật lý năm 2010 được trao cho Andrei Geim và Konstantin Novoselov vì các thí nghiệm của họ trên graphene. Cho đến nay, graphene vẫn là vật liệu mỏng nhất mà chúng ta biết. Và chỉ mất sáu năm để Game và Novoselov từ nghiên cứu đến trao giải, đây là một trong những kỷ lục nhanh nhất trong lĩnh vực vật lý.