Quá trình hình thành kim cương trong tự nhiên thường mất hàng triệu năm với điều kiện nhiệt độ và áp suất cực cao dưới lòng đất. Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ hiện đại đang dần làm thay đổi thực tế này. Ngày nay, các nhà khoa học đã phát triển thành công cách tạo ra kim cương siêu nhanh, mở ra tiềm năng ứng dụng lớn trong ngành công nghiệp vật liệu và trang sức. Mời bạn cùng Kim Cương Cao Hùng tìm hiểu chi tiết hơn trong bài viết bên dưới đây.
Nhận xét về cách sản xuất kim cương truyền thống
Hiện nay, hai phương pháp chính để tạo kim cương trong phòng thí nghiệm là HPHT và CVD. Cả hai đều mô phỏng quá trình kết tinh carbon xảy ra tự nhiên dưới lòng đất nhưng được kiểm soát trong môi trường nhân tạo.
Phương pháp HPHT (High-Pressure High-Temperature) sử dụng áp suất rất cao và nhiệt độ lớn để chuyển đổi graphite thành kim cương xung quanh một hạt giống ban đầu. Đây là kỹ thuật lâu đời và được sử dụng phổ biến để tạo kim cương phục vụ cả ngành công nghiệp và trang sức. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi chi phí cao và tiêu tốn rất nhiều năng lượng.
Trong khi đó, phương pháp CVD (Chemical Vapor Deposition) sử dụng nguyên lý lắng đọng hơi hóa học. Một buồng chân không được bơm khí methane giàu carbon. Khi gặp năng lượng từ plasma hoặc vi sóng, các phân tử khí bị phân tách và carbon bắt đầu kết tinh thành kim cương trên nền vật liệu hạt giống. Phương pháp này cho phép kiểm soát độ tinh khiết và cấu trúc tinh thể khá tốt nhưng vẫn cần nhiều giờ đến nhiều ngày để hoàn thành một viên kim cương.
Cả hai phương pháp đều hiệu quả nhưng chưa thực sự tối ưu về thời gian, chi phí và điều kiện vận hành. Đây là lý do khiến giới khoa học không ngừng nghiên cứu các phương pháp thay thế hiệu quả hơn.
Cách tạo ra kim cương siêu nhanh chỉ trong 150 phút
Một nhóm nghiên cứu tại KBSI (Korean Basic Science Institute), do nhà hóa học Rodney Ruoff dẫn dắt, đã phát triển thành công một kỹ thuật tạo kim cương trong vòng 150 phút (2,5 giờ). Đây là công nghệ đầu tiên cho phép tổng hợp kim cương ở áp suất khí quyển bình thường mà không cần đến điều kiện khắc nghiệt như trong phương pháp HPHT hoặc sự hỗ trợ của hạt giống như phương pháp CVD.
Quá trình bắt đầu bằng việc nung nóng hỗn hợp hợp kim gồm gali và niken cùng với một lượng nhỏ silicon trong nồi nấu than chì. Buồng phản ứng được giữ ở nhiệt độ khoảng 1.200 ºC nhưng áp suất hoàn toàn ổn định như trong điều kiện khí quyển. Đồng thời, khí methane được bơm vào để cung cấp carbon. Sau khoảng 15 phút, các phân tử carbon đã bắt đầu kết tinh thành cấu trúc kim cương ở đáy nồi. Sau khoảng hai tiếng rưỡi (150 phút), một lớp màng kim cương hoàn chỉnh đã được hình thành.
Ưu điểm và hạn chế của phương pháp mới
Phương pháp tạo kim cương siêu nhanh mang lại nhiều lợi thế rõ rệt. Trước hết là thời gian phản ứng cực kỳ ngắn. Quá trình chỉ mất từ 150 phút đến vài giờ thay vì hàng ngày hay hàng tuần như các kỹ thuật hiện có.
Ngoài ra, công nghệ này không đòi hỏi áp suất cao hoặc điều kiện đặc biệt phức tạp. Buồng phản ứng hoạt động ở áp suất khí quyển thông thường. Đây là một ưu điểm lớn về mặt kỹ thuật và chi phí đầu tư thiết bị. Một điểm đáng chú ý khác là khả năng loại bỏ hạt giống kim cương ban đầu. Điều này giúp đơn giản hóa quy trình và làm giảm chi phí nguyên liệu.
Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số hạn chế. Kim cương tạo ra có kích thước rất nhỏ và chưa thể dùng trong ngành trang sức. Ngoài ra, công nghệ vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và chưa được thương mại hóa. Việc kiểm soát chất lượng và độ tinh khiết vẫn cần được tiếp tục cải tiến.
So sánh với các phương pháp truyền thống
Bảng dưới đây sẽ giúp bạn thấy rõ sự khác biệt giữa công nghệ mới và các cách tạo ra kim cương hiện có:
| Bảng so sánh giữa ba phương pháp sản xuất kim cương | ||||
| STT | Tiêu chí | HPHT | CVD | Gali-Silicon (150 phút) |
| 1 | Thời gian tạo kim cương | Vài ngày đến hai tuần | Nhiều giờ đến vài ngày | 15 phút đến vài giờ |
| 2 | Áp suất yêu cầu | Rất cao | Trung bình đến thấp | Áp suất khí quyển bình thường |
| 3 | Nhiệt độ cần thiết | Khoảng 1.500 ºC trở lên | 700 đến 1.000 ºC | Khoảng 1.200 ºC |
| 4 | Cần hạt giống kim cương | Có | Có | Không |
| 5 | Khả năng kiểm soát tinh thể | Tốt | Rất tốt | Đang nghiên cứu thêm |
| 6 | Khả năng thương mại hóa | Đã được ứng dụng rộng rãi | Đang được mở rộng | Chưa khả thi ở quy mô lớn |
So với hai phương pháp truyền thống, công nghệ 150 phút thể hiện tiềm năng cải thiện đáng kể cả về thời gian và điều kiện sản xuất. Tuy nhiên, khả năng ứng dụng thực tế sẽ còn phụ thuộc vào quá trình nghiên cứu và tối ưu trong giai đoạn tiếp theo.
Phát hiện mới về cách tạo ra kim cương siêu nhanh mở ra một hướng đi mới cho ngành công nghiệp vật liệu và thể hiện tiềm năng thay đổi toàn diện cách kim cương được sản xuất. Dù còn nhiều thách thức cần giải quyết như kích thước tinh thể và khả năng mở rộng quy trình, đây là tín hiệu tích cực cho tương lai phát triển bền vững và tiết kiệm hơn trong ngành chế tạo kim cương. Nếu tiếp tục được đầu tư và thử nghiệm thành công, phương pháp này có thể trở thành một giải pháp thương mại hóa quan trọng trong những năm tới.
Xem tiếp: Phương pháp tăng chất lượng kim cương