Đầu năm nay, viên kim cương vô định hình lần đầu
tiên được tổng hợp sử dụng một kỹ thuật liên quan đến áp suất cao, nhiệt độ cao
vừa phải và một lượng nhỏ cacbon thủy tinh làm vật liệu ban đầu. Một nhóm nghiên
cứu đến từ Đại học Clemson đã tính toán thành công một số tính chất cơ bản của
chất mới này, bao gồm các hằng số đàn hồi và các số liệu liên quan.
Kim cương là một dạng cacbon tinh khiết, trong đó
các nguyên tử được sắp xếp theo mạng tinh thể, với mỗi nguyên tử cacbon được bao
quanh bởi bốn nguyên tử cacbon khác ở các góc của tứ diện. Liên kết
cacbon-cacbon trong kim cương được gọi là liên kết sp3. Sự sắp xếp trật tự các
cấu trúc tứ diện lặp đi lặp lại ở khoảng cách dài trong một tinh thể kim cương
tạo ra một vật liệu cứng có độ ổn định nhiệt độ cao. Kim cương là một loại đá
quý có giá trị và là vật liệu có nhiều ứng dụng công nghệ.
Trái lại, cacbon vô định hình có nhiều phần cacbon
liên kết sp3 trong một ma trận rối loạn hoặc vô định hình. Cấu trúc vô định hình
này tạo ra các tính chất cơ học rất mong muốn. Lượng liên kết sp3 trong cacbon
vô định hình không cao như trong kim cương nguyên chất. Một phần nhỏ các liên
kết cacbon-cacbon là loại sp2, được tìm thấy trong các dạng cacbon khác như
graphite.
Silicon và gecmani vô định hình liên kết Sp3 đã được
biết đến trong nhiều năm qua và được sử dụng rộng rãi trong quang điện, cảm biến
màng mỏng và bóng bán dẫn và các ứng dụng công nghệ cao khác. Do đó, việc tìm ra
cách tạo ra kim cương vô định hình mà vẫn giữ được một tỷ lệ lớn các liên kết
sp3 rất được quan tâm. Tuy công trình nghiên cứu được báo cáo hồi đầu năm nay
làm được điều đó, nhưng chưa có nhiều mẫu để sử dụng cho thử nghiệm. Các xét
nghiệm sơ bộ đã chỉ ra rằng những viên kim cương vô định hình này khá dày, trong
suốt về mặt quang học và chắc chắn.
Nhóm nghiên cứu gồm Arthur và John Ballato đã tìm
hiểu khoảng trống kiến thức này để tính toán một số tính chất vật lý chưa được
kiểm định cho dạng kim cương mới này. Ballato cho biết: "Chúng tôi sử dụng
phương pháp mô phỏng mà theo đó, một người có thể sử dụng các tính chất của kim
cương tinh thể để suy ra các tính chất của kim cương thủy tinh. "Trong nghiên
cứu này, chúng tôi đã suy ra các tính chất đàn hồi của dạng kim cương mới này từ
các tính chất đo được của kim cương tinh thể."
Quy trình họ sử dụng gồm một mô hình máy tính của
một tinh thể được đồng nhất để tạo ra phiên bản vô định hình của một chất. Mô
hình tinh thể sử dụng vật lý đơn giản, cổ điển và mô tả các liên kết
cacbon-cacbon ở dạng lò xo. Phương pháp đồng nhất được sử dụng gọi là kỹ thuật
Voigt-Reuss-Hill (kỹ thuật VRH).
Sử dụng phương pháp này, Ballatos đã tính toán được
một số tính chất quan trọng, bao gồm môđun của Young, tỷ số Poisson và các hằng
số đàn hồi khác cho chất. Họ sử dụng phương pháp đồng nhất VRH trong các nghiên
cứu trước đây để nghiên cứu sapphire thủy tinh và các vật liệu được quan tâm sử
dụng trong laser công suất cao. Phương pháp VRH đơn giản hơn và dễ dàng hơn so
với các phương pháp cơ lượng tử phức tập hiện có, nhưng các tính chất được tính
toán trong công trình nghiên cứu này có thể là nền tảng, cho cả mô hình phức tạp
nhưng đắt tiền lẫn các phép đo thực nghiệm trong tương lai.
Thanh Vân (Eurekalert)