Trong thế giới vật liệu, kim cương từ lâu đã được xem là chuẩn mực của sự cứng rắn, với cấu trúc carbon độc đáo và độ bền ấn tượng trên thang Mohs. Tuy nhiên, liệu có tồn tại những “siêu vật liệu” nào khác sở hữu khả năng vượt trội hơn cả viên đá quý huyền thoại này? Hãy cùng khám phá những bí ẩn đằng sau các vật liệu cứng hơn kim cương mà có thể bạn chưa từng nghe đến tại Website Thế Giới Trang Sức.
Kim cương có độ cứng như thế nào?
Kim cương là một dạng thù hình của carbon, nổi bật với cấu trúc tinh thể đặc biệt. Trong cấu trúc này, các nguyên tử carbon được sắp xếp theo một mạng lưới ba chiều chặt chẽ, liên kết với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị cực kỳ bền vững. Chính sự sắp xếp đều đặn và liên kết mạnh mẽ này đã tạo nên độ cứng vượt trội, khiến kim cương trở thành một trong những vật liệu tự nhiên khó bị phá vỡ nhất.
Cụ thể, kim cương có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt (face-centered cubic lattice). Mỗi nguyên tử carbon sẽ tạo liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử carbon lân cận, hình thành một mạng lưới không gian ba chiều vững chắc. Đây là yếu tố then chốt quyết định độ cứng cực cao của kim cương.
Độ cứng của kim cương được đánh giá là 10 trên thang độ cứng Mohs
Trên thang độ cứng Mohs, kim cương được xếp ở mức 10, là giá trị cao nhất. Điều này có nghĩa là kim cương có khả năng chống trầy xước tuyệt vời trước hầu hết các vật liệu khác. Nhờ đặc tính này, kim cương được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các dụng cụ cắt gọt, khoan và mài mòn.
Top 6 vật liệu cứng hơn kim cương
Mặc dù kim cương nổi tiếng với độ cứng, nhưng khoa học đã khám phá ra một số vật liệu khác sở hữu khả năng chống chịu lực và biến dạng vượt trội hơn.
Graphene
Graphene là một vật liệu hai chiều, chỉ dày một nguyên tử, cấu tạo từ các nguyên tử carbon sắp xếp theo mạng lưới lục giác. Sau khi được tổng hợp thành công, graphene đã được kỳ vọng sẽ tạo nên một cuộc cách mạng trong giới khoa học vật liệu thế kỷ 21. Nó là thành phần cấu trúc cơ bản của các ống nano carbon và có tiềm năng ứng dụng trong vô số lĩnh vực.
Ở cùng một độ dày, graphene được xem là vật liệu bền chắc nhất từng được biết đến. Nó sở hữu khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện phi thường, cùng với độ truyền ánh sáng gần như tuyệt đối (gần 100%). Năm 2010, giải Nobel Vật lý đã vinh danh Andre Geim và Konstantin Novoselov vì những nghiên cứu đột phá của họ về graphene.
Graphene là một vật liệu được mệnh danh là cứng nhất hành tinh
Cho đến nay, graphene vẫn giữ kỷ lục là vật liệu mỏng nhất được phát hiện. Thành tựu này cũng đánh dấu một trong những bước tiến nhanh nhất trong lĩnh vực vật lý, khi công trình nghiên cứu dẫn đến giải Nobel chỉ kéo dài khoảng sáu năm.
Buckypaper
Từ cuối thế kỷ 20, ống nano carbon đã được công nhận là vật liệu có độ cứng vượt trội hơn kim cương. Cấu trúc tinh thể lục giác và hình dạng tổng thể thuôn dài mang lại cho ống nano carbon tính ổn định cực cao so với nhiều loại vật liệu khác. Khi tập hợp một số lượng lớn các ống nano này lại trên một mặt phẳng, chúng ta sẽ tạo ra một loại vật liệu dạng giấy mỏng gọi là Buckypaper.
Để hình dung, mỗi ống nano cấu thành Buckypaper có đường kính chỉ từ 2-4 nanomet. Mặc dù có kích thước siêu nhỏ, cấu trúc của chúng lại vô cùng chắc chắn, cho phép tạo thành các tấm vật liệu có diện tích lớn. Trọng lượng của Buckypaper chỉ bằng 10% trọng lượng thép, nhưng độ cứng lại gấp hàng trăm lần. Ngoài ra, vật liệu này còn có khả năng chống cháy tốt, dẫn nhiệt hiệu quả và khả năng che chắn điện từ vượt trội. Buckypaper hứa hẹn nhiều ứng dụng tiềm năng trong khoa học vật liệu, linh kiện điện tử và cả lĩnh vực y sinh.
Buckypaper trông giống như giấy đánh chữ carbon cổ điển
Bên cạnh Buckypaper, cấu trúc buckyball cũng sở hữu độ cứng đáng kể. Buckyball được tạo thành từ 60 nguyên tử carbon liên kết với nhau, là một dạng vật liệu tự nhiên có thể hình thành trong các điều kiện nhất định trong vũ trụ. Mặc dù đã có những ứng dụng ban đầu trong lĩnh vực nano, buckyball vẫn chưa đạt được sản lượng sản xuất mong muốn để ứng dụng rộng rãi ở quy mô vĩ mô.
Thủy tinh siêu nhỏ palladium
Độ bền và độ dẻo dai là hai đặc tính quan trọng của mọi vật liệu. Độ bền đo lường khả năng chống biến dạng, trong khi độ dẻo dai là lực cần thiết để làm vỡ hoặc gãy vật liệu. Nhiều vật liệu gốm sứ có độ bền cao nhưng lại kém dẻo dai, dễ vỡ khi chịu lực tác động mạnh hoặc rơi. Ngược lại, các vật liệu đàn hồi như cao su có độ dẻo dai tốt nhưng dễ bị biến dạng và có độ cứng thấp.
Hầu hết các loại thủy tinh đều dễ vỡ, có độ dẻo dai thấp nhưng độ bền cao. Ngay cả kính cường lực cũng chưa đạt đến mức độ cứng lý tưởng. Vào năm 2011, các nhà nghiên cứu đã phát minh ra một loại thủy tinh vi mô mới, bao gồm 5 nguyên tố: phốt pho, silicon, bạc, palladium và germani. Trong đó, palladium đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các dải cắt, cho phép thủy tinh có khả năng biến dạng dẻo khi chịu lực mà không bị phá vỡ.
Thủy tinh kim loại được kết hợp tính chất của thủy tinh và kim loại
Đây là loại vật liệu kết hợp đồng thời độ bền và độ dẻo dai ở mức cực cao. Nó có khả năng vượt trội hơn mọi loại thép và thủy tinh hiện có, đồng thời được xem là vật liệu không chứa carbon cứng nhất thế giới.
Dyneema
Dyneema là một loại polymer polyethylene nhiệt dẻo có trọng lượng phân tử cực cao. Trong khi hầu hết các phân tử polymer thông thường chỉ có vài nghìn đơn vị khối lượng nguyên tử, chuỗi phân tử của polyethylene tạo nên Dyneema lại có độ dài đáng kinh ngạc, với trọng lượng phân tử có thể lên đến hàng chục triệu đơn vị khối lượng nguyên tử.
Dyneema – một loại chất dẻo tổng hợp polythen, có sợi cứng nhất TG
Với chuỗi phân tử dài như vậy, lực tương tác giữa các phân tử trong Dyneema được tăng cường đáng kể. Trên thực tế, vật liệu này sở hữu độ bền kéo cao nhất trong số tất cả các loại nhựa nhiệt dẻo đã biết. Nó được công nhận là vật liệu có sợi mạnh nhất thế giới, vượt trội hơn hẳn các loại dây thừng và cáp kéo hiện có trên thị trường. Ngoài ra, Dyneema còn có đặc tính nhẹ hơn nước và khả năng chống đạn.
Lonsdaleite
Trong khi kim cương có cấu trúc tinh thể lập phương, Lonsdaleite lại thuộc hệ tinh thể lục giác. Thành phần hóa học của Lonsdaleite tương tự kim cương (cả hai đều là dạng thù hình của carbon), nhưng nó lại cứng hơn kim cương tới 58%. Vì vậy, Lonsdaleite còn được gọi là kim cương lục phương.
Lonsdaleit có cấu trúc là kim cương lục giác – một dạng biến thể của carbon
Lonsdaleite được hình thành trong tự nhiên khi các thiên thạch chứa graphite va chạm với Trái Đất, tạo ra điều kiện nhiệt độ và áp suất cực lớn. Lonsdaleite lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1967 trong thiên thạch Canyon Diablo, dưới dạng các tinh thể cực nhỏ có liên quan đến kim cương.
Wurtzite boron nitride
Ngoài carbon, nhiều nguyên tử khác cũng có thể kết hợp để tạo thành các cấu trúc tinh thể phức tạp. Boron nitride là một ví dụ điển hình, với boron (nguyên tố thứ 5) và nitơ (nguyên tố thứ 7) kết hợp để tạo ra nhiều hợp chất. Các hợp chất này bao gồm dạng vô định hình, hệ tinh thể lục phương (tương tự than chì), hệ tinh thể lập phương (tương tự kim cương nhưng cấu trúc kém bền hơn) và dạng Wurtzite.
Wurtzite boron nitride thuộc danh sách những vật liệu cứng sau kim cương
Vật liệu này được hình thành trong các hoạt động núi lửa. Cho đến nay, con người mới chỉ tìm thấy một lượng rất nhỏ Wurtzite boron nitride trong tự nhiên. Do đó, độ cứng của nó vẫn chưa được kiểm chứng đầy đủ bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, các mô phỏng gần đây cho thấy cấu trúc của Wurtzite boron nitride có thể cứng hơn kim cương tới 18%.
Dù kim cương luôn được xem là biểu tượng của sự cứng rắn, nhưng thế giới vật liệu vẫn ẩn chứa nhiều điều bất ngờ. Hãy cùng tiếp tục khám phá thế giới Đá quý để tìm hiểu thêm về những kỳ quan vật chất.