Kim cương biến thành than chì chỉ trong vài phần triệu giây khi trúng đạn siêu vượt âm

Chỉ trong vài micro giây sau va chạm, gần như toàn bộ kim cương đã biến thành than chì. Ảnh: IE.

Các nhà khoa học tại Đại học Rice, Mỹ, đã phát triển một kỹ thuật chế tạo mới giúp ổn định kim cương trong quá trình xử lý nhiệt ở áp suất thấp, từ đó tạo ra một vật liệu composite có mật độ cao và khả năng chịu lực vượt trội.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Materials Today cho thấy việc kết hợp nhiều loại vật liệu dạng bột có thể giúp vượt qua những rào cản từng khiến việc chế tạo các khối vật liệu lớn từ kim cương trở nên khó khăn.

Nghiên cứu cũng ghi nhận một hiện tượng đáng chú ý: khi bị các vật thể siêu vượt âm va chạm, kim cương có thể biến đổi thành than chì chỉ trong khoảng thời gian tính bằng phần triệu giây. Quá trình chuyển pha cực nhanh này có khả năng hấp thụ một phần năng lượng động học của cú va chạm.

“Vật liệu composite được tạo ra bằng quy trình này gần như không thể gia công bằng máy và có độ dai cao nhờ sự hiện diện của các hạt kim cương phân tán. Nó có thể giúp các nhà nghiên cứu thiết kế những vật liệu bền hơn cho hàng không vũ trụ, quốc phòng và các công nghệ phải hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt”, Abhijit Biswas, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

Các hạt kim cương nhỏ tương đối rẻ và dễ chế tạo, nhưng việc liên kết chúng thành những khối rắn lớn lại là bài toán khó. Một trong những phương pháp phổ biến là thiêu kết, sử dụng nhiệt và áp suất để hợp nhất các hạt rời thành một khối vật liệu.

Ở nhiệt độ cao, kim cương có xu hướng phân hủy và chuyển thành than chì mềm nếu không được duy trì dưới áp suất cực lớn. Các phương pháp xử lý nhiệt độ cao – áp suất cao tiêu chuẩn có thể tạo ra kim cương đa tinh thể, nhưng mức áp suất cần thiết lại giới hạn kích thước vật thể có thể chế tạo.

Tổng hợp vật liệu được thiết kế đặc biệt

Để giữ kim cương không bị biến đổi mà không cần sử dụng áp suất khổng lồ, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một hỗn hợp gồm nhiều loại vật liệu.

Các nhà khoa học bổ sung boron nitride lập phương (cubic boron nitride - cBN) vào những hạt kim cương mịn vì hai vật liệu có nhiều đặc tính vật lý tương đồng.

Họ cũng thêm cobalt làm chất kết dính, giúp ổn định hỗn hợp trong quá trình xử lý.

Sau đó, nhóm nghiên cứu nén hỗn hợp bột bằng phương pháp thiêu kết plasma tia lửa (spark plasma sintering). Đây là kỹ thuật xử lý nhanh, đồng thời sử dụng nhiệt và áp suất để hợp nhất các hạt bột thành một khối vật liệu đặc chắc.

Phương pháp này tạo ra một composite khối có độ dai cao, trong đó các hạt kim cương được giữ bên trong một cấu trúc liên tục bằng boron nitride lập phương, còn cobalt được phân bố xuyên suốt vật liệu.

Các hạt kim cương nằm bên trong khiến composite gần như không thể gia công bằng các phương pháp cơ khí thông thường.

Đáng chú ý, do kỹ thuật này không yêu cầu mức áp suất cực cao, nó mở ra một hướng thực tế hơn để sản xuất các chi tiết dựa trên kim cương với kích thước lớn.

Ứng suất đạn đạo và thử nghiệm va chạm động lực học

Nhóm nghiên cứu đánh giá giới hạn cơ học của composite thông qua các thí nghiệm va chạm tốc độ cao.

Theo Đại học Rice, các nhà khoa học đã bắn những viên đạn kim loại nhỏ có đường kính khoảng 1-4 mm vào mẫu vật liệu với tốc độ siêu vượt âm.

Khi bị một vật thể di chuyển với tốc độ hơn 7 lần tốc độ âm thanh đâm vào, composite vẫn giữ được cấu trúc và chống lại sự phá hủy.

Tuy nhiên, khi chịu tác động của một vật thể lớn hơn với tốc độ thậm chí cao hơn, vật liệu đã bị nứt vỡ.

Để tìm hiểu nguyên nhân, nhóm nghiên cứu phân tích các bề mặt gãy của mẫu vật, đồng thời sử dụng mô phỏng động lực học phân tử trên máy tính để theo dõi chuyển động của các nguyên tử.

“Chúng tôi phát hiện rằng cú va chạm cực mạnh có thể khiến kim cương chuyển thành than chì chỉ trong vài microgiây, thay vì thông qua quá trình biến đổi chậm do nhiệt mà chúng ta thường biết”, ông Biswas nói.

Theo nhà nghiên cứu, phát hiện này mang đến một góc nhìn mới về cách kim cương phản ứng khi chịu những điều kiện cơ học khắc nghiệt nhất.

Chuyển pha cực nhanh

Kim cương và than chì đều được cấu tạo hoàn toàn từ carbon. Tuy nhiên, cách các nguyên tử carbon liên kết và sắp xếp khác nhau khiến kim cương có độ cứng rất cao, trong khi than chì lại tương đối mềm.

Quá trình chuyển đổi được quan sát trong thí nghiệm không diễn ra theo kiểu suy thoái chậm do nhiệt thường thấy trong các quy trình xử lý vật liệu.

Thay vào đó, lực và sóng xung kích từ cú va chạm siêu vượt âm đã thúc đẩy các nguyên tử sắp xếp lại gần như tức thời.

Khi kim cương chuyển thành than chì, sự thay đổi cấu trúc này hấp thụ một phần năng lượng từ cú va chạm, qua đó cải thiện khả năng của vật liệu trong việc chống chịu các lực cơ học cực lớn.

“Việc hiểu cách vật liệu thay đổi cấu trúc và chuyển pha dưới tác động của lực, cùng với độ bền và độ cứng của chúng, có thể giúp định hướng thiết kế các vật liệu bảo vệ thế hệ mới”, ông Biswas kết luận.

Theo IE

Huyền Chi