Phương pháp mới giúp các nhà khoa học tạo ra kim cương chỉ với 15 phút trong điều kiện áp suất thường

Nghiên cứu có tiềm năng tăng tốc quá trình làm kim cương nhân tạo.

Một nhóm các nhà khoa học sử dụng kỹ thuật mới để tổng hợp thành công kim cương từ điều kiện áp suất thông thường và không cần phôi. Quá trình này sẽ giúp quá trình chế tạo kim cương trong phòng thí nghiệm dễ dàng hơn nhiều.

Kim cương tự nhiên hình thành trong lòng đất, thường bị chôn vùi dưới hàng cây số vật chất. Quá trình hình thành kim cương tự nhiên cần tới một lượng áp lực khổng lồ - gấp khoảng 50.000 áp lực có trên bề mặt Trái Đất, cũng như nhiệt độ cực cao - tới khoảng 1.600 độ C.

Những điều kiện tương tự cũng được áp dụng trong hầu hết quy trình làm kim cương nhân tạo. Có tên gọi “nuôi cấy trong điều kiện áp lực lớn và nhiệt độ cao” (hay HPHT), quá trình mô phỏng những điều kiện cực đoan trong lòng Trái Đất, biến đổi một lớp kim loại lỏng trộn carbon bọc quanh một phôi kim cương thành kim cương.

Tuy nhiên, công tác tạo ra và duy trì điều kiện cực đoan nói trên rất khó khăn và tốn kém. Bên cạnh đó, những thành phần hóa học tham gia quá trình làm kim cương nhân tạo sẽ ảnh hưởng tới kích cỡ viên kim cương. Chưa hết, quá trình HPHT cần từ 1-2 tuần chỉ để tạo ra một viên kim cương nhỏ. Một số quá trình khác không cần tới những điều kiện kể trên, nhưng vẫn yêu cầu phôi kim cương.

Phương pháp chế tạo kim cương mới loại trừ được cả hai yếu tố trên, yếu tố cực đoan của nhiệt độ và áp suất lớn cũng như phôi kim cương. Nghiên cứu mới do nhà hóa học Rodney Ruoff chủ biên đã được đăng tải trên tạp chí Nature.

“Suốt hơn một thập kỷ, tôi đã tìm cách nuôi cấy kim cương, bởi vì tôi nghĩ sẽ có thể đạt được mục đích theo những cách bất ngờ”, nhà nghiên cứu Ruoff nói với trang Live Science.

Để khởi động quá trình này, các nhà nghiên cứu dùng điện để đun nóng tổ hợp gallium và bạc nằm trong một nồi nấu kim loại. Gallium được chọn nhờ khả năng hỗ trợ quá trình hình thành graphene từ methane; còn graphene cũng giống kim cương, cũng được cấu thành hoàn toàn từ carbon, tuy nhiên khác nhau về cấu trúc.

Nhóm nghiên cứu đặt nồi nấu kim loại vào một khoang có áp suất tương đương áp suất bề mặt biển, nhằm xả methane nóng, giàu carbon khỏi tổ hợp chất. Khoang đặc biệt do đồng tác giả nghiên cứu, chuyên gia Won Kyung Seong thiết kế, có thể sẵn sàng cho công tác chế tạo kim cương chỉ trong 15 phút. Việc rút ngắn thời gian sẽ giúp nhóm nghiên cứu nhanh chóng thử nghiệm chế tạo kim cương với những tổ hợp chất khác nhau.

Qua nhiều lần thử-loại, nhóm phát hiện ra tổ hợp gallium-kền-sắt kem một chút silicon có thể tạo thành kim cương nhanh nhất. Họ đã có thể tạo ra kim cương chỉ trong vòng 15 phút, và có được một viên kim cương hoàn thiện chỉ với 2 tiếng rưỡi.

Dưới kính hiển vi, viên kim cương khá tinh khiết, chỉ có một chút phân tử silicon còn sót lại. Trong tương lai gần, nhóm sẽ tinh chỉnh hàm lượng chất cũng như nhiệt độ sử dụng để có được một sản phẩm hoàn thiện một cách nhanh chóng.

Tuy nhiên, phương pháp này vẫn còn ẩn chứa nhiều thử thách. Kim cương thành phẩm vẫn còn quá nhỏ: viên to nhất bé hơn hàng trăm ngàn lần so với kim cương tạo thành nhờ phương pháp HPHT, vì thế quá nhỏ để có thể ứng dụng vào bất cứ đâu.

Thế nhưng nhà nghiên cứu Ruoff vẫn lạc quan. Ông cho quá trình chế tạo kim cương mới có thể dễ dàng được thực hiện được ở nhiệt độ phòng, nên quy mô của nó có thể tăng trong tương lai.

“Trong vòng một tới hai năm, thế giới sẽ có một cái nhìn rõ ràng hơn về khả năng thương mại của nó”, ông nói.