Tại sao kim cương lại cứng nhất?

Đã bao giờ bạn thắc mắc tại sao kim cương lại cứng nhất chưa? Nếu là vật liệu cứng nhất thì tại sao kim cương lại có thể được cắt gọt thành nhiều hình dạng khác nhau? Liệu kim cương có thực sự vĩnh cửu và không bao giờ vỡ?
Bài viết hôm nay sẽ phân tích độ cứng và độ bền của kim cương để trả lời cho các câu hỏi trên một cách chi tiết nhất. 

Độ cứng của kim cương thực sự là gì?

Để giải thích tại sao kim cương lại cứng, trước hết ta sẽ tìm hiểu về tiêu chuẩn để đánh giá độ cứng của vật liệu - thang điểm Mohs.


Hình 1. Thang điểm Mohs
Năm 1812, nhà khoáng vật học người Đức Friedrich Mohs đã nghiên cứu và tạo ra thang điểm này bằng một thí nghiệm đơn giản. 
Trước tiên, ông chọn ra 10 khoáng vật có sẵn gồm: talc, thạch cao, canxi, florit, apatit, thạch anh, topaz, fenspat, corundum và kim cương. Tiếp theo, ông cho chúng lần lượt ma sát với nhau. 
Kết quả, 10 vật liệu này được sắp xếp theo thứ tự để thành lập một thang đo. Nguyên lý duy nhất để xác định điểm của chúng là: khoáng vật cứng hơn sẽ làm trầy xước khoáng vật mềm hơn.


Hình 2. Thứ tự của các khoáng vật
Trên thang điểm Mohs, kim cương đạt được 10/10 điểm. Do đó, nó được xem là loại đá quý cứng nhất và chỉ có kim cương mới có thể làm trầy, cắt gọt kim cương.
Như vậy, độ cứng mà chúng ta thường được nghe về kim cương chính là khả năng chống trầy xước khi va chạm. Nhờ đó, viên đá trên trang sức của bạn sẽ giữ được độ lấp lánh hoàn hảo trong một thời gian rất dài.

Tại sao kim cương lại cứng nhất?

Trong các nguyên tố hóa học, cacbon là một nguyên tử thú vị vì xung quanh nó có đến 4 electron.


Hình 3. Các liên kết của cacbon
Kim cương được tạo thành từ cacbon nên nó có một mạng lưới liên kết cộng hóa trị vô cùng lớn. Cứ 1 nguyên tố cacbon sẽ liên kết với 4 nguyên tố cacbon khác. Những liên kết này được sắp xếp theo kiểu tứ diện đều với độ dài liên kết là 0,154nm.


Hình 4. Cấu tạo của kim cương

Cấu tạo đặc biệt này tạo nên một lực liên kết cộng hóa trị trong tinh thể vô cùng lớn. Biến kim cương thành một vật chất bền vững, cứng cáp, chịu được nhiệt độ và áp suất cao.

Nhưng kim cương và than đá đều cấu tạo từ cacbon, tại sao kim cương lại cứng còn than đá lại mềm?

Thực chất, ngoài kim cương và than chì (graphit) cacbon vẫn còn các dạng thù hình khác như: cacbon vô định hình, fullerene, cacbon ống nano…


Hình 5. Các đồng vị hóa học của cacbon
Điều khiến kim cương có độ cứng vượt trội so với những dạng thù hình trên chính là quá trình hình thành của nó.
Để dễ hiểu hơn, bài viết sẽ so sánh quá trình hình thành của kim cương và than chì trong tự nhiên:

Than chì

Than chì thường được hình thành từ những trầm tích giàu cacbon ở lớp phủ của vỏ Trái Đất. Quá trình này diễn ra trong hàng triệu năm dưới áp suất khoảng 75.000 pound/inch vuông và nhiệt độ lên đến 750 độ C. 
Kết quả, cacbon của than chì liên kết với nhau theo cấu trúc hình lục giác. Cứ 1 nguyên tử cacbon sẽ liên kết với 3 nguyên tử cacbon khác tạo thành các mạng lưới 2D hình tổ ong (graphene) xếp chồng lên nhau. Độ dài liên kết của chúng là 0,142 nm, khoảng cách giữa hai lớp sẽ cách nhau 0,335 nm.


Hình 6. Cấu tạo của than chì

Như đã nói, mỗi nguyên tố cacbon sẽ có đến 4 liên kết cộng hóa trị. Vì vậy, trong cấu trúc của than chì chỉ có 3 liên kết được cố định. Liên kết còn lại sẽ hoạt động tự do khiến than chì dễ cắt rời, mềm hơn và có khả năng dẫn điện.

Quá trình hình thành kim cương

Cũng bắt nguồn từ những loại đá trầm tích giàu cacbon như than chì nhưng kim cương lại được hình thành ở độ sâu lên đến 150 kilomet. Quá trình này diễn ra từ 1 đến 3.5 tỷ năm tại lớp vỏ Manti của Trái Đất. Đây là nơi có áp suất 5 gigapascal và nhiệt độ 1200 độ C. 


Hình 7. Nhiệt độ, áp suất, thời gian hình thành là các yếu tố tạo ra sự khác biệt giữa than chì và kim cương
Dưới nhiệt độ và áp suất cực đại, các liên kết của cacbon bị nén chặt và nung nóng. Hình thành nên một cấu trúc bảo hòa. 
Trong kim cương, những liên kết hóa trị của cacbon được tổ chức rất chặt chẽ và không thể di chuyển. Đó là lý do tại sao kim cương lại cứng trong khi than chì mềm.

Liệu kim cương có thực sự tồn tại vĩnh cửu?

Nhiều người vẫn nghĩ rằng kim cương là vật liệu cứng nhất, nó sẽ không bao giờ vỡ và có vẻ đẹp trường tồn theo thời gian. Tuy nhiên, sự thật là kim cương không hề bền bỉ như bạn tưởng.
Để đánh giá độ bền của một vật liệu, các nhà khoa học sẽ xem xét trên 3 phương diện: độ cứng, độ bền và tính ổn định. Đồng ý rằng kim cương là vật liệu cứng nhất, nhưng còn hai phương diện khác thì sao?

Độ bền

Kim cương rất cứng nhưng cũng rất giòn, độ cứng của nó lại không đều theo các hướng khác nhau. 



Hình 8. Kim cương vẫn có thể bị mẻ, vỡ nếu bị va chạm mạnh
Trong mỗi tinh thể kim cương đều tồn tại những mặt phẳng phân cắt. Đây chính là nơi các liên kết cacbon không quá chặt chẽ. Chỉ cần tác động một lực đủ mạnh vào đúng vị trí, kim cương sẽ dễ dàng bị nứt hoặc gãy.
Người ta đã áp dụng điều này vào việc cắt kim cương, tạo ra những giác cắt sắc nét, phức tạp. Giúp kim cương tăng khả năng phản chiếu ánh sáng để lấp lánh hơn.

Tính ổn định

Cấu trúc của kim cương trên lý thuyết là bất khả xâm phạm. Nó có độ ổn định, khả năng chịu nhiệt cao hơn hầu hết các loại đá quý khác.


Hình 9. Nhiệt độ cao cũng gây hại cho kim cương

Tuy nhiên, nếu đột ngột đặt kim cương vào môi trường có nhiệt độ cao nó sẽ bị hư hại.
Qua bài viết, hy vọng bạn đã hiểu tại sao kim cương lại cứng và các vấn đề khác xung quanh độ bền của nó. Có thể nói, kim cương là một loại đá quý cứng nhưng lại không quá bền và dẻo dai. Vì vậy, trong quá trình sử dụng bạn cũng cần cẩn thận, không để trang sức của mình bị va chạm, tác động mạnh.

Bạn tìm hiểu thêm về

0 nhận xét: