Bí mật về sự phơi sáng của kim cương

Là vật liệu cứng nhất trên trái đất, nhưng tại sao kim cương lại ánh lên khi được chà xát với một viên kim cương khác? Mới đây, sự bí ẩn có từ thời xa xưa về quá trình mài kim cương đã được làm sáng tỏ bởi các nhà vật lý ở Đức, vừa tạo ra một mô hình để giải thích tương tác dưới dạng ma sát ở cấp độ phân tử.

Khám phá bí mật để tạo ra những viên kim cương lấp lánh(Ảnh: iStockphoto/Simfo)

Qua nhiều thế kỉ, các nhà buôn đá quý đã biết cách làm sáng các viên kim cương bằng việc mài chúng với các viên bi sắt trộn lẫn với các mảnh kim cương. Chưa thể lý giải được tại sao cách làm này lại hiệu quả đến vậy, nhưng kinh nghiệm cho thấy công việc này sẽ tiến triển tốt hơn nếu kim cương được trộn theo góc xác định so với các viên bi.

Sự phụ thuộc vào hướng mài kim cương được nghiên cứu mới đây bởi Lars Pastewka tại Viện cơ học vật liệuFraunhofer. Làm việc với các cộng sự ở một vài Viện khác trên toàn nước Đức, ông phát triển một mô hình cơ học lượng tử dùng để nghiên cứu tương tác giữa các film cac-bon giống với kim cương, thường được dùng trong công nghệ để giảm ma sát cho máy móc.

Gỡ bỏ sự xù xì

Nhưng khi các nhà nghiên cứu áp dụng mô hình này cho kim cương thật, họ ngạc nhiên thấy rằng nó tiên đoán chính xác các thí nghiệm sử dụng vật liệu này, thậm chí vượt xa những hiểu biết về cơ học đang mô tả chúng. "Ở điểm này, chúng tôi rất phấn khích với công việc và sẽ phân tích những mô phỏng của chúng tôi một cách chi tiết hơn nữa để thấu hiểu quá trình này," Pastewka cho biết.

Nhóm của Pastewka tập hợp các mô phỏng việc mài kim cương bằng cách sử dụng 70 máy tính chạy trong một năm, và khám phá ra rằng trong suốt thời gian mài, bề mặt kim cương biến thành những lớp mềm và trở nên vô định hình. Các lớp film mỏng này có thể dễ dàng bị gỡ bỏ hoặc kết hợp với các phân tử o-xi có trong khí quyển, và tách chúng ra khỏi bề mặt kim cương.

Việc tạo ra được những lớp mỏng vô định hình này là vì sự tồn tại của những điểm không hoàn hảo trên bề mặt kim cương, bao gồm cả việc bám bụi qua thời gian. Khi một nguyên tử của viên kim cương bị trượt trên bề mặt kim cương, nó kéo các nguyên tử trên bề mặt tinh thể của kim cương và đôi khi, tách cả nguyên tử bám yếu ra khỏi bề mặt này và trở thành một phần của lớp vô định hình.

Lớp ngoài bị bong ra và trở nên vô định hình. (Ảnh:Viện công nghệ vật liệu Fraunhofer)

Giống như một đống giấy vụn

"Hãy tưởng tượng, bạn có một đống giấy vụn trên bàn," Pastewka giải thích. "Bây giờ, bạn cho một nam châm di chuyển qua đống giấy này ở một độ cao nhất định. Bạn không thể giữ nam châm ở độ cao lý tưởng, vì vậy nếu độ cao phù hợp, nó sẽ kéo một ít giấy lên và số khác vẫn nằm trên bàn."

Changfeng Chen, một nhà khoa học vật liệu ở Đại học Nevada, Hoa kỳ rất ấn tượng với nghiên cứu và khả năng ứng dụng công nghiệp của nó. "Nghiên cứu này mang một ý nghĩa thực tiễn trong ngành công nghệ nano, khi mà sự định hướng của các tinh thể ở thang nano có thể xác định rõ ràng và điều khiển được," ông cho biết. "Tiên đoán về sự phụ thuộc vào hướng của các chất vô định hình bất đẳng hướng có thể mở toang cánh cửa để đạt đến một cấp độ mới trong gia công, ước đạt vật liệu từ thiết kế trang sức cho đến các thiết bị công nghệ cao."

Tuy nhiên, công việc vẫn chưa dừng lạ ở đây, nhóm của Pastewka đang mở rộng các nghiên cứu về hóa tính của bề mặt kim cương và tiếp tục một bài báo khác về sự ô-xi hóa của lớp vô định hình này.

Nghiên cứu chi tiết được đăng trên Nature Materials.

Tác giả: James Dacey

Theo physicsworld.com