Hình ảnh mô phỏng cấu trúc vi mô của các quả cầu C60 màu tím (trái), và dạng thù hình mới cứng hơn kim cương của carbon được tạo thành (phải). Phần màu xanh là tác nhân trong dung môi Xylene.
Ngày 17/8, Science-tạp chí khoa học hàng đầu thế giới vừa đăng tải một bài báo của các nhà nghiên cứu ở Viện khoa học Carnegie (Hoa Kỳ) về phát hiện liên quan tới một dạng thù hình mới của nguyên tố carbon. Dạng thù hình ở đây đặc biệt ở chỗ nó là hỗn hợp tạo thành từ các cấu trúc tinh thể và cấu trúc vô định hình. Hơn nữa, các thực nghiệm trên loại vật liệu này chỉ ra nó còn cứng hơn cả kim cương.- Mạng graphene hai chiều, một trong những dạng thù hình carbon được nghiên cứu mạnh nhất hiện nay, đặc biệt là sau giải Nobel Vật lý năm 2010 trao cho hai nhà khoa học gốc Nga vì những đóng góp trong các công trình liên quan tới loại vật liệu này
- Cùng cấu thành từ các nguyên tử carbon nhưng kim cương thì siêu đắt còn than chì rẻ như bèo
- Một ống carbon nanotube
Một số dạng thù hình của Carbon
Như chúng ta đã biết, carbon là nguyên tố phổ biến thứ 4 trong vũ trụ và tồn tại ở nhiều thù hình khác nhau. Từ vật liệu graphene có dạng tổ ong, các mảnh graphite than chì, kim cương, các ống nano hình trụ, và hình cầu rỗng C60 hay fullerenes. Một vài chất trên có dạng tinh thể, tức là cấu trúc của chúng có tính trật tự và gồm các khối đơn vị chứa vài nguyên tử lặp đi lặp lại (như các hình lập phương xếp chồng lên nhau chẳng hạn). Các vật liệu dạng này có thể dễ dàng được nghiên cứu thông qua xem xét tính chất của một khối đơn vị (thuật ngữ chuyên môn gọi là ô cơ sở). Trong khi đó một số vật liệu carbon khác lại có cấu trúc vô định hình, nói cách khác nếu phóng to chúng lên bạn sẽ thấy một dạng sắp xếp vô cùng lộn xộn và không có trật tự nào cả. Ngoài ra, các nhà vật lý lý thuyết tin tưởng còn tồn tại một loại thù hình lai giữa cấu trúc tinh thể và cấu trúc vô định hình. Tuy nhiên, cho tới khi bài báo của Viện Carnegie được công bố, chưa một thực nghiệm nào xác nhận dự đoán trên.
Quả cầu C60, tại các nút là các nguyên tử carbon còn các đường nối chỉ liên kết giữa chúng.
Tác giả chính của bài báo- tiến sĩ Ling Wang cho biết, nhóm của ông đã khởi đầu nghiên cứu với việc xem xét các quả bóng rỗng C60 mà các múi trên đó là hình lục giác hoặc ngũ giác. Tiếp theo họ trộn các quả cầu C60 với dung môi hữu cơ Xylene để tạo nên một cấu trúc mới. Sau đó họ nén hỗn hợp thu được và tăng dần áp suất để xem nó thay đổi thế nào. Ở áp suất thấp, người ta thấy các quả bóng C60 vẫn khá bền. Nhưng khi tăng lực nén, các cấu trúc tròn này bắt đầu bị vỡ và chuyển thành các đám carbon vô định hình. Mặc dù vậy từng đám carbon sau khi vỡ vẫn giữ nguyên ở vị trí của các quả bóng C60 ban đầu. Nói cách khác toàn bộ vật liệu vẫn có tính tuần hoàn mạng trong khi ở mức độ địa phương (kích thước nhỏ) thì nó mất tính trật tự. Các nhà khoa học phát hiện ra sau khi hỗn hợp chịu một lực có độ lớn tương đương 320.000 lần áp suất khí quyển thì nó bị phá vỡ khi trờ về điều kiện thường.Hiện tượng đáng chú ý nhất xảy ra sau khi xem xét đế kim cương được sử dụng để đặt khối hỗn hợp khi nén ở áp suất cao, các nhà khoa học nhận thấy nó bị lõm. Nói cách khác vật liệu mới tạo ra cứng hơn cả các tinh thể kim cương.
Trong một thử nghiệm khác, nếu sử dụng nhiệt để làm bay hơi dung môi Xylene thì vật liệu vừa tạo ra sẽ bị phá vỡ cấu trúc mạng tuần hoàn. Điều đó cho thấy dung môi sử dụng có chức năng duy trì quá trình biến đổi hóa học để hình thành nên dạng thù hình mới ở trên. Do có rất nhiều loại hợp chất có tính năng tương tự như Xylene, nên nhóm nghiên cứu tin tưởng mạng carbon vẫn có thể hình thành khi sử dụng dung môi thay thế.
Tiến sĩ Wang rất hồ hởi với phát kiến của ông và các cộng sự: "Chúng tôi đã tạo nên một dạng thù hình mới của vật liệu carbon, và nó còn cứng hơn cả kim cương. Hình thành dưới điều kiện áp suất siêu cao, nhưng vật liệu này vẫn giữ cấu trúc ở điều kiện thường, điều đó có nghĩa là nó có thể được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống và công nghiệp".
Nguồn: Carnegie Institution