Tổng hợp kim cương | Bước tiến mới trong khoa học vật liệu

Các nhà nghiên cứu Đại học Tokyo công bố phương pháp tổng hợp kim cương nhân tạo mới. Phương pháp này có nhiều ưu điểm bất ngờ. Họ chuẩn bị mẫu carbon đặc biệt. Sau đó chiếu xạ mẫu bằng chùm electron. Quy trình này chuyển hóa vật liệu thành kim cương. Nó còn bảo vệ hợp chất hữu cơ mỏng manh. Những hợp chất này thường bị hư hại do bức xạ. Thành tựu này mở ra kỷ nguyên mới cho khoa học vật liệu. Nó cũng mang lại ứng dụng lớn trong sinh học.

Thay đổi cách con người tổng hợp kim cương

Thông thường, kim cương được tổng hợp bằng cách nén carbon ở áp suất và nhiệt độ cực cao. Hoặc thông qua lắng đọng hơi hóa học (CVD).

Tuy nhiên, nhóm của Eiichi Nakamura tại Khoa Hóa học, Đại học Tokyo, đã chọn một hướng hoàn toàn khác. Họ chuyển hóa ở áp suất thấp bằng chùm electron có kiểm soát.

Họ sử dụng adamantane [math](C_{10}H_{16})[/math]. Một hợp chất có khung carbon tương tự cấu trúc tứ diện của kim cương để làm vật liệu khởi đầu.

Để chuyển hóa adamantane thành kim cương, cần loại bỏ các nguyên tử hydro. Họ sẽ phá vỡ liên kết C–H và thay thế bằng liên kết C–C. Sau đó sắp xếp nguyên tử thành mạng tinh thể ba chiều đặc trưng của kim cương.

Dù lộ trình phản ứng này từng được đề xuất về mặt lý thuyết, Nakamura cho biết:

“Vấn đề là không ai nghĩ nó có thể thực hiện được trong thực tế.”

>>>> Xem thêm: Kiểm định nhị thức, một kiểm định quan trọng trong khoa học dữ liệu!

Quan sát quá trình hình thành qua việc tổng hợp kim cương trong thời gian thực

Trước đây, các nghiên cứu bằng khối phổ cho thấy ion hóa đơn electron có thể giúp phá vỡ liên kết C–H. Nhưng phương pháp đó chỉ áp dụng được cho pha khí và không thể thu được sản phẩm rắn. Để vượt qua giới hạn này, nhóm của Nakamura đã sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Thiết bị này có thể quan sát vật liệu ở cấp độ nguyên tử.

Họ chiếu chùm electron năng lượng 80–200 kiloelectron volt lên các tinh thể adamantane nhỏ. Nhiệt độ sử dụng từ 100–296 K trong môi trường chân không.

Nhờ đó, có thể trực tiếp theo dõi quá trình hình thành nano kim cương trong thời gian thực. Chứng minh rằng electron có thể thúc đẩy phản ứng polymer hóa và tái cấu trúc phân tử hữu cơ mà không phá hủy chúng.

Theo Nakamura, người đã dành hơn 20 năm theo đuổi lĩnh vực hóa học tổng hợp và tính toán:

“Mô phỏng máy tính cho ta thấy phản ứng ảo, nhưng tôi muốn tận mắt nhìn thấy nó.”

Ban đầu, nhiều người tin rằng chùm electron sẽ phá hủy phân tử hữu cơ. Nhưng nỗ lực kiên trì của ông từ năm 2004 đã chứng minh điều ngược lại. Dưới điều kiện thích hợp, electron có thể kích hoạt phản ứng hóa học ổn định và có thể dự đoán được.

>>>> Chế tạo siêu dẫn từ bán dẫn, một bước đột phá công nghệ mới!

Xây dựng hạt kim cương nano dưới chùm electron

Khi tăng thời gian chiếu xạ, nhóm nghiên cứu thu được nano kim cương gần như hoàn hảo với cấu trúc tinh thể lập phương. Đường kính lên đến 10 nanomet, kèm theo sự giải phóng khí hydro.

Hình ảnh TEM cho thấy các chuỗi phân tử adamantane dần chuyển thành các hạt cầu nanokim cương. Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào quá trình phá vỡ liên kết C–H.

Các thử nghiệm với các hydrocarbon khác không cho kết quả tương tự. Chứng tỏ adamantane có tính đặc thù hiếm có cho quá trình hình thành kim cương.

Phát hiện này mở ra khả năng kiểm soát phản ứng tổng hợp hóa học ở cấp độ nguyên tử. Ứng dụng trong quang khắc điện tử, khoa học bề mặt và kính hiển vi vật liệu.

Ngoài ra, nhóm nghiên cứu gợi ý rằng các quá trình chiếu xạ năng lượng cao tương tự có thể giải thích sự hình thành kim cương tự nhiên trong thiên thạch hoặc đá giàu uranium.

Cũng như hỗ trợ tạo chấm lượng tử pha tạp (doped quantum dots) cho cảm biến và máy tính lượng tử.

>>>> Xem thêm: p-value, con số kì diệu trong thống kê!

Giấc mơ kéo dài hai thập kỷ

Nhìn lại thành tựu của mình, Nakamura chia sẻ:

“Phản ứng tổng hợp kim cương này là minh chứng cuối cùng rằng electron không phá hủy phân tử hữu cơ, mà có thể kích hoạt phản ứng hóa học có trật tự, nếu chúng ta thiết kế phân tử phù hợp để chiếu xạ.”

Công trình này không chỉ đánh dấu một bước tiến quan trọng trong nghiên cứu kim cương nhân tạo, mà còn có thể thay đổi cách các nhà khoa học sử dụng chùm electron trong nghiên cứu vật liệu và hóa học hữu cơ.

Công trình cũng mở ra cánh cửa mới cho việc quan sát và kiểm soát các phản ứng ở cấp độ nguyên tử.

Nghiên cứu được đăng trên tạp chí Science ngày 4/9/2025

>>>> Xem các bài viết thú vị khác ở đây!!