Kim cương thông thường, còn gọi là kim cương lập phương, từ lâu được xem là vật liệu tự nhiên cứng nhất trên Trái Đất. Thang đo độ cứng Mohs, hệ thống đánh giá khả năng chống trầy xước của khoáng vật, cũng lấy kim cương làm mốc cao nhất.

Sở dĩ loại kim cương này được gọi là “lập phương” vì các nguyên tử carbon của nó được sắp xếp theo mạng tinh thể hình lập phương. Trong khi đó, kim cương lục giác có cấu trúc hoàn toàn khác: các nguyên tử carbon liên kết theo mạng lưới hình lục giác giống tổ ong.

Chính sự khác biệt về cấu trúc này khiến nhiều nhà khoa học từ lâu cho rằng kim cương lục giác có thể cứng hơn kim cương thông thường.

Khoáng vật hiếm từng chỉ thấy trong thiên thạch

Ý tưởng về dạng kim cương lục giác được đưa ra từ năm 1962, khi các nhà nghiên cứu nhận ra rằng các lớp nguyên tử carbon tạo nên kim cương có thể sắp xếp theo mạng lục giác thay vì mạng lập phương.

Đến năm 1967, vật liệu này lần đầu tiên được tạo ra trong phòng thí nghiệm và được đặt tên theo nhà tinh thể học Kathleen Lonsdale. Từ đó, họ bắt đầu tìm kiếm nó trong các thiên thạch giàu kim cương, đặc biệt là loại thiên thạch ureilite, được cho là hình thành từ lớp phủ của các hành tinh lùn đã bị phá vỡ trong vũ trụ.

Những dấu vết đầu tiên của kim cương lục giác ngoài tự nhiên được ghi nhận trong các mẫu thiên thạch Canyon Diablo, tàn dư của tiểu hành tinh đã tạo ra một miệng hố lớn ở bang Arizona của Mỹ. Các mẫu này chứa khoảng 30% kim cương lục giác và 70% kim cương lập phương. Ngoài ra, một số thiên thạch Goalpara được tìm thấy tại bang Assam của Ấn Độ cũng được cho là có chứa một lượng nhỏ kim cương lục giác.

Tuy nhiên, sự tồn tại của khoáng vật này vẫn gây tranh cãi trong nhiều thập kỷ. Một số nhà khoa học cho rằng các bằng chứng trước đây có thể chỉ là kim cương lập phương bị biến dạng hoặc sắp xếp hỗn loạn, chứ không phải một cấu trúc tinh thể hoàn toàn khác.

Thách thức lớn nhất: thiếu mẫu tinh khiết

Một trong những trở ngại lớn nhất trong việc nghiên cứu kim cương lục giác là gần như không có mẫu tinh khiết. Trong hầu hết các trường hợp, vật liệu này bị trộn lẫn với kim cương lập phương, graphite và nhiều khoáng vật khác.

Sự pha trộn đó khiến việc đo đạc và xác định chính xác các đặc tính vật lý của kim cương lục giác trở nên rất khó khăn, thậm chí gần như không thể.

Nghiên cứu mới được công bố ngày 4/3 trên tạp chí khoa học Nature đã giải quyết được vấn đề này bằng cách tạo ra những mẫu kim cương lục giác tinh khiết có đường kính khoảng 1,5mm, đủ lớn để tiến hành các phép đo vật liệu.

Kết quả cho thấy kim cương lục giác có độ cứng và độ cứng vững cao hơn kim cương lập phương. Ngoài ra, vật liệu này còn có khả năng chống oxy hóa tốt hơn nhiều.

Điều đó có nghĩa là kim cương lục giác có thể chịu được nhiệt độ cao hơn trước khi bị oxy hóa hoặc hư hại, một đặc tính rất quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp như khoan, cắt hoặc gia công vật liệu siêu cứng.

Tạo kim cương lục giác dưới áp suất cực lớn

Để tạo ra các mẫu vật này, các nhà khoa học đã nén graphite có cấu trúc tinh thể rất trật tự trong 10 giờ dưới áp suất khoảng 20 gigapascal, tương đương khoảng 200.000 lần áp suất khí quyển ở mực nước biển.

Trong quá trình này, vật liệu cũng được nung nóng ở nhiệt độ từ 1.300 đến 1.900 độ C.

Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao hơn, kim cương lục giác bắt đầu chuyển đổi trở lại thành kim cương lập phương, cho thấy hai dạng cấu trúc này có thể biến đổi lẫn nhau tùy theo môi trường vật lý.

Tiềm năng ứng dụng trong nhiều ngành công nghệ

Theo các nhà khoa học, kim cương lục giác có thể giúp cải thiện nhiều công nghệ hiện nay vốn dựa vào kim cương thông thường. Những lĩnh vực có thể hưởng lợi bao gồm chế tạo mũi khoan và công cụ cắt siêu cứng, lớp phủ mài mòn cho thiết bị công nghiệp, vật liệu tản nhiệt cho thiết bị điện tử và thậm chí các công nghệ cảm biến lượng tử.

Ngoài ra, việc phát hiện kim cương lục giác trong các thiên thạch cũng mang lại nhiều thông tin quan trọng về quá trình hình thành của chúng, qua đó giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về lịch sử hình thành của Hệ Mặt Trời.

Nhóm nghiên cứu cho biết phương pháp mới cũng mở ra khả năng sản xuất kim cương lục giác với quy mô lớn hơn trong tương lai. Điều này không chỉ giúp giới khoa học nghiên cứu sâu hơn về vật liệu hiếm này mà còn có thể đưa nó vào các ứng dụng công nghiệp, vượt qua những giới hạn mà kim cương thông thường đang gặp phải.