Chế tạo vật liệu cứng á quân thế giới ở... áp suất khí quyển

BN "lạnh" sẽ dần thay thế các tinh thể BN được tạo ra cực kỳ khó khăn hiện nay.

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã phát minh ra phương pháp mới tổng hợp boron nitride, loại vật liệu vô địch về độ cứng (nếu không kể kim cương), mà không cần đạt đến nhiệt độ và áp suất cực cao như với các vật liệu công nghiệp tổng hợp thông thường.

Hiện nay, boron nitride (BN) thường được tinh luyện tại nhiệt độ khoảng 1.200-2.000 độ C, trong áp suất cao gấp 500.000 lần áp suất khí quyển. BN, được bán dưới tên thương mại là Borazon và Amborite, là vật liệu quen thuộc trong các công cụ cắt và nghiền đòi hỏi độ cứng lớn.

Nhưng mới đây, ông B.L. Cui của Đại học Sơn Đông ở Tế Nam, Trung Quốc và đồng nghiệp đã chế tạo thành công các tinh thể BN nhỏ bé ở 480 độ C và tại áp suất khí quyển, bằng cách làm nóng hỗn hợp boron tribromide và lithium nitride, với benzene làm dung môi. Các tinh thể BN nhân tạo này có độ cứng và chịu mài mòn không kém gì kim cương công nghiệp. Hơn nữa, BN lại có ưu thế hơn kim cương trong môi trường nhiệt độ cao. Vì được cấu tạo từ carbon nguyên chất, nên khi bị nóng lên, một phần cấu trúc kim cương sẽ hoá hơi, hoà lẫn với các phân tử sắt. Khi đó, các công cụ cắt, nghiền bằng thép có chứa kim cương sẽ nhanh chóng cùn đi.

BN có hai dạng tinh thể, sáu mặt và 4 mặt, tương tự như cấu trúc tinh thể carbon của graphite và kim cương. BN sáu mặt rất dễ tạo ra từ boron ôxit và ammonia, nhưng cũng giống như graphite, nó mềm, nên ít có ứng dụng.

Trước kia, người ta chỉ có cách chuyển đổi BN sáu mặt sang dạng BN lập phương bằng cách nén ở nhiệt độ cao. Nay, theo phương pháp của ông Cui, BN lập phương có thể được tạo ra ở nhiệt độ thấp, áp suất khí quyển với kích thước 30 nanomét (nm). Tuy nhiên, do các tinh thể này quá nhỏ, để có được các hạt BN lớn hơn dùng trong công nghiệp, nhóm nghiên cứu sẽ phải tìm cách tăng kích cỡ của chúng.

B.H. (theo Nature)