Các nhà nghiên cứu từ Đại học bang North Carolina đã phát hiện ra một pha mới của cacbon rắn, đặt tên là Q-cacbon, khác với các pha đã được biết của cacbon là than chì và kim cương. Nhóm nghiên cứu cũng phát triển một kỹ thuật sử dụng Q-cacbon để chế tạo kim cương ở nhiệt độ phòng và áp suất không khí bình thường.
Pha là các hình thức khác nhau của cùng một vật liệu. Than chì là một trong những pha rắn của cacbon và kim cương là một pha rắn khác. “Hiện nay chúng tôi đã chế tạo ra pha rắn thứ ba của cacbon”, GS. Jay Narayan đến từ Đại học bang North Carolina và tác giả chính của bài báo mô tả công trình nghiên cứu cho biết. “Trong tự nhiên, nơi duy nhất có thể thấy được pha thứ ba này chỉ có thể là trong lõi của một số hành tinh”.
Q-cacbon có một số đặc tính đặc biệt và một trong các đặc tính đó là sắt từ, điều mà than chì và kim cương không có. Ngoài ra, Q-cacbon cứng hơn kim cương và phát quang khi tiếp xúc thậm chí với các mức năng lượng thấp.
“Độ bền và công phát xạ (sự sẵn sàng giải phóng electron) thấp của Q-cacbon làm cho nó rất có triển vọng để phát triển các công nghệ màn hình điện tử mới”, Narayan cho biết. Ngoài ra, Q-cacbon cũng có thể được sử dụng để tạo ra nhiều vật thể kim cương đơn tinh thể.
Quá trình tạo ra Q-cacbon được các nhà nghiên cứu phát triển được tiến hành như sau: Ban đầu các nhà nghiên cứu sử dụng một chất nền, chẳng hạn như như sapphire, thủy tinh hay chất dẻo. Chất nền này sau đó được phủ một lớp cacbon vô định hình - cacbon nguyên tố, không giống như than chì hay kim cương, không có cấu trúc tinh thể cân đối, rõ ràng. Cacbon này được chiếu một xung laser trong khoảng 200 nano giây, khi đó, nhiệt độ của cacbon được nâng lên khoảng 3.727oC và sau đó được làm nguội đi cực nhanh. Toàn bộ quá trình này diễn ra ở áp suất không khí bình thường. Kết quả cuối cùng là một màng Q-cacbon và các nhà nghiên cứu có thể chế tạo ra màng dày từ 20 nanomet đến 500 nanomet.
Bằng cách sử dụng các chất nền khác nhau và thay đổi thời gian chiếu laser, các nhà nghiên cứu cũng có thể kiểm soát tốc độ nguội đi của cacbon, từ đó có thể tạo ra các cấu trúc kim cương trong Q-cacbon.
“Chúng tôi có thể tạo ra các cây kim siêu nhỏ, các chấm nano bằng kim cương hay màng kim cương rộng, với các ứng dụng cho vận chuyển thuốc, các quy trình công nghiệp và tạo ra các chuyển mạch nhiệt độ cao và thiết bị điện tử mạnh”, Narayan cho biết. “Những vật thể kim cương này có cấu trúc đơn tinh thể, làm cho chúng mạnh hơn so với vật liệu đa tinh thể và tất cả được thực hiện ở nhiệt độ phòng và ở áp suất không khí bình thường. Chúng tôi về cơ bản sử dụng một tia laser giống như laser được sử dụng trong phẫu mắt bằng laser vì vậy, không chỉ cho phép chúng tôi phát triển các ứng dụng mới mà bản thân quy trình còn tương đối rẻ”. Và nếu các nhà nghiên cứu muốn chuyển đổi nhiều hơn Q-cacbon thành kim cương, họ có thể chỉ đơn giản lặp lại quá trình bắn xung laser/làm nguội.
Nếu Q-cacbon cứng hơn kim cương vậy tại sao người ta muốn chế tạo các chấm nano kim cương chứ không phải các chấm nano Q-cacbon? Bởi vì chúng ta vẫn cần tìm hiểu rất nhiều về vật liệu mới này.
“Chúng tôi có thể chế tạo màng Q-cacbon và chúng tôi đang nghiên cứu các thuộc tính của nó, nhưng chúng tôi vẫn đang trong giai đoạn đầu của sự hiểu biết làm thế nào để thao tác nó”, Narayan cho biết. “Chúng tôi biết rất nhiều về kim cương, vì vậy chúng tôi có thể chế tạo các chấm kim cương. Chúng tôi vẫn chưa biết cách chế tạo các chấm nano hay kim nano bằng Q-cacbon. Đó là điều mà chúng tôi đang nghiên cứu”.
Đại học NC State đã nộp đơn xin cấp hai bằng sáng chế tạm thời cho kỹ thuật chế tạo Q-cacbon và kim cương.
Nguồn: vista, ngày 15/12/2015.