Các nhà nghiên cứu ở Úc đã phát hiện ra rằng một loại kim cương gọi là lonsdaleite có thể tồn tại độc lập với kim cương bình thường trong một loại thiên thạch quý hiếm. Đội, dẫn đầu bởi Andy Tomkin tại Đại học Monash, đã khám phá ra bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử để xác định dạng kim cương cứng hơn trong các thiên thạch cổ đại. Nhóm nghiên cứu cũng bao gồm các nhà nghiên cứu tại Đại học RMIT và kết quả của họ cung cấp bằng chứng mạnh mẽ về cách dạng kim cương này có thể hình thành trong tự nhiên và thậm chí có khả năng được tạo ra cho các ứng dụng công nghiệp.
Ureilit là một loại thiên thạch hiếm có lẽ có nguồn gốc từ lớp phủ của một hành tinh lùn cổ đại từng tồn tại trong hệ mặt trời bên trong. Các nhà khoa học tin rằng hành tinh này đã bị phá hủy ngay sau khi hình thành do tác động của một tiểu hành tinh khổng lồ. Ureilit chứa rất nhiều kim cương, và cũng được biết là có chứa một dạng kim cương gọi là lonsdaleite – có thể cứng hơn kim cương bình thường.
Những viên kim cương được tìm thấy trong đồ trang sức và dụng cụ công nghiệp bao gồm các nguyên tử carbon được sắp xếp theo một kiểu mạng lập phương. Tuy nhiên, trong lonsdaleite, các nguyên tử carbon trong được sắp xếp theo một kiểu mạng lục giác. Vật liệu được đặt tên theo nhà tinh thể học người Anh Kathleen Lonsdale – người phụ nữ đầu tiên được bầu làm Ủy viên Hội Hoàng gia và là người tiên phong trong việc sử dụng tia X để nghiên cứu tinh thể.
Vật liệu rời rạc
Mặc dù nó có thể được tổng hợp ở áp suất cao, nhưng các nhà nghiên cứu đã nghĩ rằng lonsdaleite chỉ có thể tồn tại trong tự nhiên dưới dạng một khuyết tật của kim cương thông thường chứ không phải là một vật liệu theo đúng nghĩa của nó. Để kiểm tra lý thuyết này, nhóm của Tomkins đã phân tích cấu trúc tinh thể của các mẫu ureilite bằng kính hiển vi điện tử. Mục đích của họ là lập bản đồ sự phân bố tương đối của lonsdaleite, kim cương và than chì mà chúng chứa. Lần đầu tiên, kết quả của họ cho thấy rằng các tinh thể lonsdaleite thực sự có thể tồn tại dưới dạng một vật liệu rời rạc – thường ở dạng hạt có kích thước micron, xen kẽ với các đường vân kim cương và than chì.
Cứng hơn kim cương?
Các quan sát của nhóm cung cấp bằng chứng mạnh mẽ đầu tiên về cách ba giai đoạn carbon khác nhau này hình thành trong ureilit. Dựa trên kết quả của họ, Tomkins và các đồng nghiệp cho rằng lonsdaleite có khả năng hình thành từ than chì kết tinh thô khi vật liệu này nhanh chóng nguội đi và bị nén lại, sau sự phá hủy của hành tinh lùn hình thành ureilite.
Phản ứng này được kích hoạt nhờ sự có mặt của chất lỏng siêu tới hạn (nơi không tồn tại các pha lỏng và khí riêng biệt), chứa nhiều hợp chất của cacbon, hydro, oxy và lưu huỳnh. Khi quá trình này tiếp tục, các nhà nghiên cứu cho rằng phần lớn lonsdaleite này sẽ được chuyển đổi thành kim cương, sau đó trở lại thành than chì.
Nhóm của Tomkins cũng đưa ra những điểm tương đồng giữa quá trình này và quá trình lắng đọng hơi hóa chất công nghiệp – trong đó các tiền chất hóa hơi phản ứng trên bề mặt của chất nền rắn để tạo ra các màng rắn, mỏng. Bằng cách bắt chước quy trình này trong phòng thí nghiệm, họ hy vọng rằng những hiểu biết của họ có thể mở đường cho các kỹ thuật mới để sản xuất lonsdaleite – thứ có thể thay thế kim cương thông thường trong các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi những vật liệu cứng nhất hiện có.
Nghiên cứu được mô tả trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia.
