Đột phá mới của Trung Quốc: Kim cương bền hơn đạn xuyên giáp

Kim cương mới thậm chí bền bỉ hơn các hợp kim vonfram được sử dụng trong đạn xuyên giáp. Ảnh: Shutterstock.

Kim cương là vật liệu tự nhiên cứng nhất trên Trái đất, nhưng lại có một điểm yếu lớn là giòn như thủy tinh và có thể vỡ vụn khi chịu một lực tác động mạnh. Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã tìm cách tăng độ dai của kim cương mà không làm mất đi độ cứng.

Thông thường, việc cải thiện một trong hai đặc tính đồng nghĩa phải hy sinh đặc tính còn lại. Đây được xem là sự đánh đổi có thể chấp nhận trong nhiều ứng dụng, trong đó có các công cụ công nghiệp dùng để cắt và đánh bóng.

Nhóm nghiên cứu từ Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Đại học Beihang đã tìm ra cách vượt qua giới hạn này. Họ xây dựng một cấu trúc chống đỡ bên trong giúp tăng độ bền của kim cương lên khoảng 6 lần mà không làm thay đổi độ cứng.

Theo một nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học Nature Synthesis ngày 9/7, vật liệu mới thậm chí bền bỉ hơn các hợp kim vonfram được sử dụng trong đạn xuyên giáp.

Bí quyết tạo nên độ bền vượt trội

Bí quyết nằm ở ống nano carbon đa lớp (MWCNT) - những sợi carbon siêu bền, cực kỳ mảnh, chỉ rộng khoảng 1/10.000 sợi tóc người nhưng có độ bền cao gấp hàng chục lần thép.

Những nỗ lực trước đây nhằm đưa ống nano carbon vào gốm hoặc kim loại đều không đạt hiệu quả cao. Nguyên nhân là các ống nano carbon đa vách và vật liệu nền chỉ tiếp xúc lỏng lẻo với nhau, nên không thể truyền lực hoặc chia sẻ tải trọng một cách hiệu quả.

Một nhóm các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã tìm ra cách tăng độ bền mà không làm giảm độ cứng của kim cương. Ảnh: Tân Hoa Xã.

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã lựa chọn một cách tiếp cận khác. Trước tiên, họ trộn kỹ loại bột kim cương siêu nhỏ dùng làm vật liệu nền với các thành phần cần thiết để tạo cấu trúc ống nano.

Sau đó, hỗn hợp được xử lý ở nhiệt độ và áp suất cực cao: 2.000 độ C và 15 gigapascal (GPa), tương đương khoảng 150.000 lần áp suất khí quyển thông thường.

Mức áp suất này đã được tính toán rất kỹ lưỡng, đủ cao để thiêu kết các vật liệu lại với nhau, nhưng không quá cao để tránh làm biến đổi ống nano cacbon thành kim cương, cũng không quá thấp để bột kim cương bị phân hủy thành than chì.

Kết quả thu được là một mạng lưới các ống nano vẫn giữ được dạng sợi, đồng thời liên kết hóa học bền vững với kim cương ở cấp độ nguyên tử.

Bài báo mô tả các ống nano này hoạt động tương tự như cốt thép trong bê tông cốt thép, tạo thành một mạng lưới không gian 3 chiều liên tục giữa các hạt kim cương. Đồng thời, bản thân các hạt kim cương cũng liên kết trực tiếp với nhau.

Kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy vật liệu composite mới có độ cứng khoảng 91,6 GPa, tương đương kim cương đơn tinh thể thông thường. Độ dai của vật liệu đạt tới 36,4 MPa·m¹ᐟ², tăng khoảng 5-6 lần và vượt qua mức điển hình của các hợp kim vonfram.

Nhiều ứng dụng tiềm năng

Các nhà khoa học sử dụng kính hiển vi điện tử để quan sát cách các vết nứt lan bên trong vật liệu khi nó chịu lực kéo.

Ở kim cương thông thường, các vết nứt sẽ xé dọc trực tiếp qua vật liệu theo dạng giòn xốp, giống như kính bị vỡ.

Cơ chế triệt tiêu vết nứt mở ra triển vọng ứng dụng mới cho kim cương. Ảnh: SCMP.

Tuy nhiên, ở vật liệu composite mới này, các ống nano đã làm lệch hướng và phân tán đường lan của vết nứt. Các sợi ống nano đan xen kéo vết nứt theo nhiều hướng, hấp thụ một lượng lớn năng lượng và ngăn vết nứt lan rộng không kiểm soát.

Ứng dụng tiềm năng của vật liệu này cực kỳ rộng lớn, từ các dụng cụ cắt siêu cứng dùng trong gia công kim loại, gốm sứ cho đến mũi khoan địa chất và các linh kiện trong ngành hàng không vũ trụ.

Công trình nghiên cứu này nhận được sự hỗ trợ từ Cơ sở Thí nghiệm Điều kiện Cực hạn Quốc gia Synergetic tại Khu Khoa học Hoài Nhu, Bắc Kinh - nơi được xây dựng để các nhà khoa học thử nghiệm vật liệu trong những môi trường khắc nghiệt nhất.