Các nhà khoa học Trung Quốc lần đầu tạo thành kim cương ngay trong quá trình ma sát, mở ra hướng đi mới cho vật liệu siêu cứng

Phá vỡ nhận thức “ma sát chỉ tạo than chì”: Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc lần đầu tiên tạo ra kim cương trong điều kiện ma sát​

Trong một thời gian dài, trong lĩnh vực ma sát học (Tribology) tồn tại một nhận thức phổ biến: vật liệu carbon trong quá trình ma sát trượt thường sẽ xảy ra quá trình chuyển pha graphit hóa (graphitization), còn việc hình thành kim cương gần như được cho là không thể.

Quan điểm truyền thống cho rằng, dù là trong các hệ thống cơ khí hay tại bề mặt ma sát sinh học, nhiệt độ cao tức thời sinh ra do ma sát sẽ làm tăng mạnh khả năng dịch chuyển của các nguyên tử carbon, từ đó thúc đẩy chúng tái sắp xếp để hình thành cấu trúc than chì (graphite) ổn định.
Ngược lại, quá trình tổng hợp kim cương từ trước đến nay luôn phụ thuộc vào các điều kiện tĩnh cực hạn như nhiệt độ cao và áp suất cao. Vì vậy, giới học thuật nhìn chung đều cho rằng môi trường ma sát động không thể đáp ứng các điều kiện cần thiết để tạo thành kim cương. Trước nghiên cứu này, trên phạm vi toàn cầu vẫn chưa có bất kỳ báo cáo nào xác nhận bằng thực nghiệm hoặc nghiên cứu về hiện tượng kim cương được hình thành do ma sát.

Nhận thức vốn được xem là “điều hiển nhiên” này đã được nhóm nghiên cứu thuộc Viện Hóa học Vật lý Lan Châu, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc phá vỡ. Nhóm nghiên cứu Nano Lubrication thuộc Trung tâm Đổi mới Công nghệ và Vật liệu Bôi trơn Lan Châu đã áp dụng phương pháp giới hạn không gian hai chiều, xây dựng chiến lược cấu trúc “sandwich” kẹp hai chiều và lần đầu tiên hiện thực hóa sự hình thành kim cương ngay tại bề mặt ma sát trượt.

Điểm đổi mới cốt lõi của nhóm nghiên cứu nằm ở việc tận dụng đặc tính các tấm vật liệu hai chiều dễ phân lớp và xếp chồng trong quá trình ma sát. Các mảnh vụn carbon sinh ra từ sự mài mòn của lớp phủ carbon vô định hình được giữ lại và bao bọc giữa các lớp vật liệu hai chiều, tạo thành một cấu trúc giới hạn dạng “sandwich”.


Cấu trúc này mang lại ba vai trò quan trọng:

• Về mặt giới hạn năng lượng: lớp kẹp hai chiều giúp hạn chế sự thất thoát nhiệt ma sát ra môi trường bên ngoài, cho phép vùng giới hạn duy trì nhiệt độ cao trong thời gian dài, tạo điều kiện để kim cương vượt qua rào cản năng lượng cần thiết cho quá trình hình thành.
• Về mặt giới hạn chuyển động: các tấm vật liệu hai chiều đóng vai trò như khuôn chịu áp lực theo phương vuông góc, hạn chế sự dịch chuyển của nguyên tử carbon theo chiều dọc. Đồng thời, cấu trúc xếp chồng dạng “xây gạch” ngăn cản sự di chuyển của nguyên tử trong mặt phẳng, khiến mật độ của nguồn carbon bị nén tiến gần tới mật độ của kim cương, từ đó tạo ra môi trường tương đương với áp suất siêu cao tại khu vực cục bộ.
• Về mặt định hướng cấu trúc: mạng tinh thể có trật tự của vật liệu hai chiều đóng vai trò như khuôn mẫu cho quá trình chuyển pha, dẫn hướng các nguyên tử carbon tái sắp xếp theo quy luật. Đồng thời, lực Van der Waals yếu cũng giúp hạn chế các khuyết tật cấu trúc do sự dịch chuyển nguyên tử gây ra.

Môi trường giới hạn hai chiều này đã biến môi trường ma sát truyền thống vốn bị chi phối bởi các yếu tố “nhiệt độ tức thời cao, áp suất cao và tốc độ dịch chuyển nguyên tử carbon lớn” – vốn thuận lợi cho quá trình graphit hóa – thành một môi trường động học có đặc trưng “nhiệt độ cao kéo dài, áp suất siêu cao cục bộ và tốc độ dịch chuyển nguyên tử carbon thấp”.



Ở cấp độ lý thuyết, nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô phỏng động lực học phân tử phản ứng để tìm hiểu cơ chế mà không gian giới hạn hai chiều thúc đẩy quá trình chuyển pha theo hướng ngược lại.


Kết quả mô phỏng cho thấy không gian giới hạn hai chiều có thể làm giảm khoảng 30% rào cản năng lượng cho quá trình chuyển đổi từ carbon vô định hình sang kim cương, đồng thời tăng tốc độ thư giãn cấu trúc lên khoảng 2 lần.


Sự kết hợp giữa thực nghiệm và mô phỏng lý thuyết đã xác nhận cơ chế này. Trong điều kiện ma sát với áp suất tiếp xúc ban đầu 1,08 GPa, nhóm nghiên cứu đã tận dụng hiệu ứng ép Van der Waals cùng hiệu ứng khuôn mẫu để làm đặc các mảnh vụn carbon vô định hình, từ đó tạo ra kim cương ngay trên bề mặt ma sát. Tỷ lệ chuyển đổi từ carbon vô định hình sang kim cương đạt khoảng 11,2%.


Khi áp suất tiếp xúc ban đầu tăng lên 1,40 GPa, tỷ lệ chuyển đổi thành kim cương tiếp tục tăng lên khoảng 38,5%.

Nghiên cứu còn phát hiện sản phẩm bên trong cấu trúc kẹp hai chiều không chỉ bao gồm kim cương mà còn là một cấu trúc hỗn hợp gồm carbon vô định hình, graphene, kim cương vô định hình, kim cương tinh thể và có thể còn tồn tại những pha carbon mới chưa được xác định.

Trong đó, graphene và kim cương tồn tại tách biệt về mặt không gian, cho thấy cả hai đều tiến hóa trực tiếp từ các mảnh vụn carbon vô định hình, chứ không phải kim cương được tạo thành thông qua quá trình chuyển đổi trực tiếp từ than chì.


Tác giả thứ nhất của bài báo là Phó nghiên cứu viên Vương Vĩnh Phú thuộc Viện Hóa học Vật lý Lan Châu, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc. Các tác giả liên hệ gồm có nhà nghiên cứu Lý Thụy Vân của Đại học Lan Châu, Giáo sư Ernst Meyer của Đại học Basel (Thụy Sĩ) và nhà nghiên cứu Trương Tuấn Ngạn thuộc Viện Hóa học Vật lý Lan Châu.

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Chương trình Nghiên cứu và Phát triển Trọng điểm Quốc gia Trung Quốc, Chương trình Đối tác Tương lai của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và các dự án trọng điểm của tỉnh Cam Túc.
[center

Mô phỏng lý thuyết ở cấp độ nguyên tử.
[/center]

Đây là nghiên cứu đầu tiên hiện thực hóa quá trình hình thành kim cương do ma sát gây ra. Thành quả này không chỉ giúp hiểu sâu hơn về cơ chế chuyển pha của vật liệu carbon tại bề mặt ma sát mà còn mở ra hướng phát triển mới cho công nghệ siêu bôi trơn, lớp phủ siêu cứng chống mài mòn cũng như phương pháp chế tạo vật liệu kim cương thế hệ mới với mức tiêu thụ năng lượng thấp.


Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Materials vào ngày 25/6. Link tham khảo https://doi.org/10.1002/adma.73531