Những viên kim cương được chế tạo bằng kỹ thuật mới đều nguyên chất nhưng chúng quá nhỏ để làm đồ trang sức. (Ảnh: Viện Khoa học Cơ bản Hàn Quốc)
Các nhà khoa học đã sử dụng một kỹ thuật mới để tổng hợp kim cương ở áp suất khí quyển bình thường và không cần đá quý ban đầu.
Kim cương tự nhiên hình thành trong lớp vỏ Trái đất, vùng nóng chảy bị chôn vùi hàng trăm mét bên dưới bề mặt hành tinh. Quá trình này diễn ra dưới áp suất cực lớn lên tới vài gigapascal và nhiệt độ thiêu đốt vượt quá 1.500 độ C.
Các điều kiện tương tự được sử dụng trong phương pháp hiện đang được sử dụng để tổng hợp 99% tổng số kim cương nhân tạo. Ở áp suất cao và nhiệt độ cao (HPHT), phương pháp này sử dụng các chế độ khắc nghiệt để thu hút carbon hòa tan trong kim loại lỏng, như sắt, để chuyển nó thành kim cương xung quanh một hạt nhỏ hoặc viên kim cương ban đầu.
Tuy nhiên, áp suất và nhiệt độ cao rất khó sản xuất và duy trì. Thêm vào đó, các thành phần liên quan ảnh hưởng đến kích thước của viên kim cương, trong đó viên lớn nhất có kích thước khoảng 1 cm khối.
Ngoài ra, HPHT phải mất một thời gian khá dài - một hoặc hai tuần - để tạo ra ngay cả những viên đá quý nhỏ bé. Một phương pháp khác, gọi là lắng đọng hơi hóa học, loại bỏ một số yêu cầu của HPHT, như áp suất cao.
Kỹ thuật mới loại bỏ một số nhược điểm của cả hai quá trình tổng hợp. Một nhóm do Rodney Ruoff, nhà hóa học vật lý tại Viện Khoa học cơ bản ở Hàn Quốc dẫn đầu, đã công bố phát hiện của họ trên tạp chí Nature số tháng 4 vừa qua.
Nấu kim cương trong 15 phút?
Phương pháp mới đã được hình thành từ lâu. Ruoff cho biết: “Trong hơn một thập kỷ, tôi đã suy nghĩ về những cách mới để phát triển kim cương, vì tôi nghĩ có thể đạt được điều này theo những cách có thể không ngờ tới”.
Để bắt đầu, các nhà nghiên cứu đã sử dụng gali đun nóng bằng điện với một chút silicon trong nồi nấu bằng than chì. Gallium có vẻ giống như một nguyên tố bí truyền, nhưng nó được chọn vì một nghiên cứu trước đó cho thấy nó có thể xúc tác cho sự hình thành graphene từ metan. Graphene, giống như kim cương, là carbon nguyên chất, nhưng nó chứa các nguyên tử trong một lớp chứ không phải bốn mặt như đá quý.
Các nhà nghiên cứu đặt nồi nấu kim loại trong một căn phòng tự chế được duy trì ở áp suất khí quyển ngang mực nước biển, qua đó khí metan siêu nóng, giàu carbon có thể được xả ra. Được thiết kế bởi đồng tác giả Won Kyung Seong, cũng thuộc Viện Khoa học Cơ bản, buồng 9 lít có thể sẵn sàng để thử nghiệm chỉ trong 15 phút, cho phép nhóm thực hiện nhanh chóng các hoạt động với nồng độ kim loại và khí khác nhau .
Thông qua việc tinh chỉnh như vậy, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng hỗn hợp gali-niken-sắt – kết hợp với một nhúm silicon – là tối ưu để xúc tác cho sự phát triển của kim cương. Thật vậy, với sự pha trộn này, nhóm nghiên cứu đã thu được kim cương từ đáy nồi nấu kim loại chỉ sau 15 phút.
Trong vòng hai tiếng rưỡi, một màng kim cương hoàn chỉnh hơn đã được hình thành. Các phân tích quang phổ cho thấy lớp màng này phần lớn là tinh khiết nhưng chứa một vài nguyên tử silicon.
Tất nhiên, không có silicon thì không có kim cương hình thành nên các nhà nghiên cứu cho rằng nó có thể hoạt động như một hạt giống để cacbon kết tinh xung quanh. Những viên kim cương được tạo ra bằng kỹ thuật này quá nhỏ để được sử dụng làm đồ trang sức.