Tạo kim cương chất lượng cao chỉ trong 3 giờ, đột phá của các nhà khoa học Hàn Quốc

Giúp NTDVN sửa lỗi

Một tin tức khoa học đột phá vừa được công bố từ Viện Khoa học Cơ bản Hàn Quốc (IBS): Nhóm nghiên cứu tại đây đã phát triển thành công phương pháp mới tạo ra kim cương tổng hợp chất lượng cao chỉ trong 3 giờ đồng hồ.

Kim cương được tạo ra chỉ trong 3 giờ

Phương pháp này sử dụng kim loại lỏng trong nồi nấu bằng than chì cùng với khí metan (CH4) và hydro (H2) ở nhiệt độ 1.025 độ C (1.877 độ F) và áp suất khí quyển để tạo ra tinh thể kim cương.

Nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí khoa học Nature đã thu hút sự chú ý đông đảo với hơn 14.000 lượt xem và được đưa tin bởi gần 70 hãng truyền thông, khẳng định vị trí tiên phong của nó trong lĩnh vực khoa học.

Phương pháp đột phá của các nhà khoa học Hàn Quốc sử dụng hỗn hợp kim loại lỏng độc đáo gồm gali, sắt, niken và silicon. Hỗn hợp này đóng vai trò xúc tác, thúc đẩy sự khuếch tán nguyên tử carbon và hình thành kim cương ngay tại bề mặt tiếp xúc với nồi nấu than chì. Nhờ vậy, yêu cầu về áp suất và nhiệt độ trong quá trình tổng hợp giảm đáng kể so với phương pháp truyền thống sử dụng áp suất và nhiệt độ cao (HPHT).

Mặc dù kích thước tinh thể kim cương thu được còn hạn chế dưới 100 nanomet, nhưng màng kim cương thành phẩm có thể được dễ dàng làm sạch khỏi bề mặt kim loại bằng dung dịch axit clohydric và di chuyển đến bất kỳ vị trí nào mong muốn.

Đây là tin vui cho các ngành công nghiệp điện tử và quang học tiên tiến, bởi trước đây việc sản xuất màng kim cương đòi hỏi thiết bị đắt đỏ. Phương pháp mới này hứa hẹn sẽ giảm thiểu đáng kể chi phí sản xuất và tạo điều kiện cho việc ứng dụng rộng rãi hơn.

Kim cương: Vẻ đẹp kiêu sa và thách thức của sự khan hiếm

Kim cương từ lâu đã được biết đến như một biểu tượng của sự sang trọng và đẳng cấp. Sở hữu những đặc tính phi thường như độ cứng Brinell lên đến 45.000 BHN, mật độ 3.500 kg/m3 và độ dẫn nhiệt 1000 W/m·K, kim cương được xem là một trong những vật liệu cứng nhất, bền bỉ nhất trên Trái Đất.

Tuy nhiên, đằng sau vẻ đẹp lộng lẫy ấy là câu chuyện về sự khan hiếm và giá thành cao ngất ngưởng. Nhu cầu về kim cương ngày càng tăng cao, ước tính lên đến 292 triệu carat (khoảng 64.4 tấn) mỗi năm, trong khi sản lượng kim cương tự nhiên chỉ đáp ứng được một phần nhỏ nhu cầu này. Theo số liệu của Kimberley Process, năm 2022, sản lượng kim cương tự nhiên toàn cầu chỉ đạt 121.5 triệu carat (khoảng 26 tấn), với giá trị xấp xỉ 16.3 tỷ USD.

Theo The Diamond Pro, giá cả của kim cương có thể dao động đáng kể tùy thuộc vào kích thước, độ trong, màu sắc và các yếu tố khác. Tuy nhiên, nhìn chung, kim cương tự nhiên luôn có giá cao hơn kim cương tổng hợp cùng thông số kỹ thuật.

Lấy ví dụ, 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 đó, một viên kim cương tổng hợp có cùng kích thước, độ trong và màu sắc chỉ có giá khoảng 2.600 USD.
Kim cương tự nhiên: Kỳ quan của cấu trúc và màu sắc

Kim cương tự nhiên sở hữu vẻ đẹp lộng lẫy và giá trị cao nhờ cấu trúc nguyên tử carbon độc đáo. Các nguyên tử carbon được sắp xếp chặt chẽ trong mạng tinh thể ba chiều, tạo nên độ cứng và độ dẫn nhiệt cao, đồng thời hạn chế tạp chất xâm nhập.

Tuy nhiên, sự hiện diện của các nguyên tố khác như nitơ (N), silicon (Si) hoặc các tạp chất trong quá trình hình thành đã tạo nên những màu sắc khác biệt cho kim cương.

  • Boron: Mang đến sắc xanh huyền bí cho kim cương.
  • Nitơ: Tạo nên ánh kim vàng rực rỡ.
  • Khuyết tật mạng tinh thể: Khiến kim cương có màu nâu ấm áp.

Các nhà khoa học tin rằng kim cương tự nhiên hình thành trong điều kiện khắc nghiệt với nhiệt độ từ 900°C đến 1.400°C và áp suất lên đến 5 - 6 Gigapascal. Tuy nhiên, do tính chất không liên tục của quá trình hình thành, thời gian hình thành kim cương có thể không cố định.

Kim cương nhân tạo: Phương pháp lắng đọng hơi hóa học

Phương pháp Lắng đọng hơi hóa học (CVD) đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra những viên kim cương "nhân tạo" với kích thước ấn tượng.

Sử dụng hỗn hợp khí hydrocarbon (thường chứa methane) với các nguyên liệu như Oxit zirconium, cacbua silic để tạo kim cương kích thước lớn (lên đến vài centimet), giá rẻ hơn kim cương tự nhiên. Ra đời từ năm 1955, phương pháp HPHT (Nhiệt độ cao Áp suất cao) do các nhà khoa học General Electric phát minh đã mở ra kỷ nguyên mới trong tổng hợp kim cương nhân tạo.

Áp suất 7 GPa và nhiệt độ 1.600°C (2.812°F) - mô phỏng môi trường hình thành kim cương tự nhiên sâu trong lòng đất. Kim cương đơn tinh thể kích thước lớn (centimet khối) được tạo ra chỉ trong 5 đến 12 ngày.

Thị trường kim cương đang chứng kiến sự trỗi dậy mạnh mẽ của kim cương nhân tạo. Theo Statista, năm 2016, kim cương nhân tạo chỉ chiếm 1.7% thị phần toàn cầu. Tuy nhiên, con số này dự kiến sẽ tăng lên 10% vào năm 2030, cho thấy tiềm năng to lớn của phân khúc thị trường này.

Theo Epoch Times

Khoa học Công nghệ


BÀI CHỌN LỌC

Tạo kim cương chất lượng cao chỉ trong 3 giờ, đột phá của các nhà khoa học Hàn Quốc