Theo Richard Kaner, nhà hóa học vật liệu tại Đại học California, Los Angeles, đối với hầu hết các mục đích trong thực tế, kim cương vẫn là vật liệu cứng nhất. Có nhiều cách để tạo ra những viên kim cương cứng hơn kim cương tiêu chuẩn. Và có những vật liệu khác về mặt lý thuyết có thể cứng hơn kim cương, nhưng chúng không tồn tại ở dạng mà bạn có thể cầm trên tay hoặc sử dụng rộng rãi.
Kim cương được đánh giá cao vì độ cứng của chúng. Trong đồ trang sức, chúng có thể tồn tại qua nhiều thế hệ và chống trầy xước khi đeo hàng ngày. Nếu được dùng làm lưỡi dao hoặc mũi khoan, chúng có thể xuyên qua hầu hết mọi thứ. Ở dạng bột, kim cương giúp đánh bóng đá quý, kim loại và các vật liệu khác.
Paul Asimow, nhà địa hóa học tại Caltech, cho biết: Mặc dù bất kỳ ai đeo nhẫn kim cương đều có thể xác nhận độ bền của tinh thể này, nhưng điều quan trọng là phải hiểu rằng "độ cứng" có ý nghĩa rất cụ thể đối với các nhà khoa học. Nó thường bị nhầm lẫn với những phẩm chất khác, như độ rắn chắc. Những yếu tố này đôi khi tương quan với độ cứng, nhưng không phải lúc nào cũng vậy.
Ví dụ, kim cương rất cứng nhưng rắn chắc vừa phải. Nó dễ dàng vỡ dọc theo các mặt tinh thể, một tính chất giúp những người thợ cắt đá quý có thể tạo ra những viên kim cương đa diện lấp lánh.
Các nhà khoa học đo độ cứng theo một số cách khác nhau. Các nhà địa chất thường dựa vào một tiêu chí so sánh được gọi là thang độ cứng Mohs, một cách để xác định các khoáng chất trong tự nhiên dựa trên việc liệu chúng có thể làm xước lẫn nhau hay không. Kim cương được đánh giá là 10 - cao nhất trong thang đo này - nghĩa là nó có thể làm xước bất cứ vật liệu nào.
Trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học vật liệu dựa vào một phép đo chính xác hơn gọi là bài kiểm tra độ cứng Vickers, xác định độ cứng của vật liệu dựa trên lực cần thiết để làm vết lõm trên bề mặt của nó bằng đầu nhọn giống như việc bạn cắm một cây bút chì vào một cục tẩy cao su.
Kim cương được tạo thành từ các nguyên tử carbon sắp xếp thành mạng lập phương, được liên kết với nhau bằng các liên kết hóa học ngắn và mạnh. Cấu trúc này làm cho nó trở nên nổi tiếng về độ cứng. Hầu hết các vật liệu được cho là cứng hơn kim cương đều đến từ việc thay đổi một chút cấu trúc tinh thể kim cương kinh điển hoặc hoán đổi một số nguyên tử carbon bằng các nguyên tử như boron hoặc nitơ.
Ứng cử viên hàng đầu cho vật liệu cứng hơn kim cương là lonsdaleite. Giống như kim cương, lonsdaleite được tạo thành từ các nguyên tử carbon, nhưng chúng được sắp xếp thành cấu trúc tinh thể lục giác thay vì hình lập phương.
“Lonsdaleite rất khó hiểu”, Asimow nói với Live Science. Cho đến gần đây, nó mới chỉ được tìm thấy chủ yếu bên trong các thiên thạch với số lượng rất nhỏ, đến mức không rõ liệu nó có được coi là vật liệu độc lập hay chỉ là một khiếm khuyết trong cấu trúc tinh thể kim cương tiêu chuẩn hay không.
Gần đây, một nhóm các nhà khoa học đã tìm thấy các tinh thể lonsdaleite có kích thước micron trong thiên thạch. Các tinh thể này vẫn còn nhỏ nhưng lớn hơn nhiều so với những phát hiện trước đây. Asimow cho biết điều đó giúp tăng cường độ tin cậy về sự tồn tại của khoáng vật này. Các nhà khoa học khác đã báo cáo việc tạo ra lonsdaleite trong phòng thí nghiệm, mặc dù các tinh thể này chỉ tồn tại trong chưa đầy một giây.
Vì vậy, lonsdaleite rất hấp dẫn, nhưng nó sẽ không sớm thay thế được kim cương trong các ứng dụng như cắt, khoan hoặc mài mòn.
Việc sử dụng cấu trúc nano của kim cương cũng có thể tạo ra vật liệu cứng hơn kim cương thông thường. Một vật liệu được tạo thành từ nhiều tinh thể kim cương nhỏ sẽ cứng hơn một viên kim cương là một tinh thể đơn lẻ, bởi vì các hạt có kích thước nano kẹp chặt lấy nhau thay vì di chuyển qua nhau. Chẳng hạn, những viên kim cương "nanotwinned" được cho là có độ cứng gấp đôi so với những viên kim cương thông thường.
Tuy nhiên, suy cho cùng, hầu hết các nhà khoa học không theo đuổi vật liệu siêu cứng chỉ để lập kỷ lục - họ đang cố gắng tạo ra thứ gì đó hữu ích.
Asimow nói: “Các nhà khoa học vật liệu dành nhiều thời gian để phát minh ra những vật liệu siêu cứng có thể được chế tạo ở quy mô lớn. Và đối với nhiều mục đích, cứng hơn kim cương không phải là tiêu chí thiết kế”. Các nhà khoa học có thể muốn thứ gì đó cứng gần như kim cương nhưng rẻ hơn hoặc dễ chế tạo hơn trong phòng thí nghiệm.
Ví dụ, phòng thí nghiệm của Kaner đã tạo ra nhiều loại kim loại siêu cứng có thể được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp thay cho kim cương. Một loại hiện có trên thị trường là sự kết hợp giữa vonfram và boron cùng với một số kim loại khác được pha trộn vào. Bởi vì hình dạng của các tinh thể mang lại cho vật liệu những đặc tính khác nhau theo các hướng khác nhau, cho nên khi được giữ đúng hướng, kim loại siêu cứng có thể làm xước một viên kim cương.
Vì vậy, trong khi kim cương ở các dạng khác nhau vẫn thống trị về độ cứng, ngôi vương của vật liệu cổ điển này sẽ phải đối mặt với những thách thức trong tương lai.
Theo Livescience
