Giải mã kim cương siêu hiếm văng đến Trái đất 4,5 tỷ năm trước

Theo truyền thống, chúng ta nghĩ rằng kim cương hình thành qua hàng tỷ năm trên Trái Đất, sâu khoảng 150 km trong lòng đất, nơi có áp suất cao và nhiệt độ trên 1.000 độ C. Song, một số loại kim cương siêu cứng cũng đã được tìm thấy trong các thiên thạch từ không gian và những viên đá này về cơ bản khác với kim cương trên Trái Đất!

Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế cho biết họ đã phát hiện ra những tinh thể lớn nhất cho đến nay của một loại kim cương siêu hiếm với cấu trúc kỳ lạ và khác biệt có tên là Lonsdaleite (hay kim cương lục giác) so với kim cương thông thường trên Trái Đất.

Những viên kim cương có cấu trúc nguyên tử hình lục giác khác thường (so với cấu trúc hình khối phổ biến hơn) và được tìm thấy trong thiên thạch ureilite từ lớp phủ của hành tinh lùn đã trải qua một vụ va chạm thảm khốc với một tiểu hành tinh khoảng 4,5 tỷ năm trước.

Lonsdaleite có cấu trúc tinh thể khác với kim cương thông thường và được dự đoán là cứng hơn 58%. Ảnh: Giáo sư McCulloch và cộng sự

Nhóm nghiên cứu với các nhà khoa học từ Đại học Monash (Australia), Đại học RMIT (Australia), Tổ chức Khoa học và nghiên cứu công nghiệp Khối thịnh vượng chung (CSIRO), Cơ sở bức xạ Synchrotron (Australia) và Đại học Plymouth (Anh) đã tìm thấy bằng chứng về cách thức lonsdaleite hình thành trong các thiên thạch ureilite và công bố phát hiện của họ trong Kỷ yếu của Học viện Khoa học Quốc gia Mỹ (PNAS). Nghiên cứu do Giáo sư địa chất Andy Tomkins từ Đại học Monash dẫn đầu.

"Nghiên cứu này chứng minh một cách rõ ràng rằng lonsdaleite tồn tại trong tự nhiên và vô cùng đắt giá!" - Giáo sư Dougal McCulloch, Giám đốc Cơ sở phân tích vi mô và kính hiển vi Đại học RMIT, cho biết trong một tuyên bố.

Cấu trúc lục giác bất thường của viên kim cương lonsdaleite có thể khiến nó cứng hơn hầu hết các viên kim cương có nguồn gốc từ Trái Đất.

Nghiên cứu mới đã xác định những viên kim cương lục giác, còn được gọi là lonsdaleite, thuộc một loại thiên thạch hiếm có thể đến từ lớp phủ của một hành tinh lùn. Giống như than chì, than củi và kim cương, lonsdaleite là một dạng cấu trúc đặc biệt của carbon. Trong đó các nguyên tử cacbon của kim cương được sắp xếp theo hình khối, các nguyên tử cacbon trong lonsdaleite được sắp xếp theo hình lục giác.

Giáo sư Andy Tomkins (trái) từ Đại học Monash cùng học giả Tiến sĩ Alan Salek của Đại học RMIT và một mẫu thiên thạch ureilite. Nguồn: Đại học RMIT

"Chúng tôi cũng đã phát hiện ra những tinh thể lonsdaleite lớn nhất được biết đến cho đến nay có kích thước lên đến một micrômet - mỏng hơn rất nhiều so với sợi tóc của con người" - Giáo sư Dougal McCulloch, nhà kính hiển vi tại Đại học RMIT, cho biết.

Lonsdaleite lần đầu tiên được phát hiện trong thiên thạch Canyon Diablo vào năm 1967 và được đặt theo tên nhà tinh thể học người Anh Dame Kathleen Lonsdale. 

Nghiên cứu mới dự đoán rằng hình dạng lục giác của lonsdaleite làm cho nó cứng hơn kim cương thông thường với cấu trúc hình khối, điều này có thể thúc đẩy các kỹ thuật chế tạo mới để tạo ra vật liệu siêu cứng.

Các nhà khoa học đã nghiên cứu lonsdaleite trong các thiên thạch ureilite, một loại đá không gian hiếm mà các nhà khoa học cho rằng có thể chứa vật chất từ ​​lớp phủ của các hành tinh lùn.

Nhóm nghiên cứu đã xem xét 18 thiên thạch ureilite, chủ yếu từ Tây Bắc châu Phi, và một loại được phát hiện tại đồng bằng rộng lớn, khô cằn có tên Nullarbor ở miền nam Australia bởi Giáo sư địa chất Andy Tomkins của Đại học Monash (Australia). 

Sau đó, họ tiến hành phân tích các lát cắt của những thiên thạch này dưới kính hiển vi để xác định lonsdaleite và dự đoán nguồn gốc của nó, đồng thời cũng nghiên cứu những viên kim cương có hình dạng thông thường được tìm thấy trong đá.

BÍ ẨN LỚN NHẤT CỦA KIM CƯƠNG SIÊU CỨNG

Theo các nhà khoa học, chi tiết về cách những viên siêu kim cương này hình thành trong không gian là một bí ẩn lớn nhất cần đi tìm lời giải.

Giáo sư Dougal McCulloch và các đồng nghiệp đã sử dụng kỹ thuật hiển vi điện tử tiên tiến để xem xét các lát cắt từ thiên thạch và nghĩ rằng họ có thể đã phát hiện ra một quá trình hình thành mới cho cả kim cương lonsdaleite và kim cương thông thường.

Giáo sư Dougal McCulloch (trái) và học giả Tiến sĩ Alan Salek từ Đại học RMIT cùng với Giáo sư Andy Tomkins từ Đại học Monash (phải) tại Khoa hiển vi và Phân tích vi mô RMIT. Ảnh: Đại học RMIT

Các nhà khoa học kinh ngạc phát hiện ra rằng lonsdaleite trong các thiên thạch hình thành từ một chất lỏng siêu tới hạn ở nhiệt độ cao và dưới áp suất tăng lên. Môi trường khắc nghiệt này cho phép lonsdaleite giữ được hình dạng và kết cấu của than chì. Cuối cùng, khi môi trường nguội đi và áp suất giảm, lonsdaleite được thay thế một phần bằng kim cương.

Nói một cách dễ hiểu, điều đó có nghĩa là những viên kim cương không gian có khả năng được hình thành bởi các vật liệu gốc carbon, có khả năng, trên một hành tinh lùn đang chịu áp lực cực lớn sau một vụ va chạm lớn trong vũ trụ.

Nhóm nghiên cứu cho rằng ngành công nghiệp thế giới có thể bắt chước quy trình sản xuất khoáng chất bất thường này.

Nghiên cứu do Giáo sư địa chất Andy Tomkins dẫn đầu và được công bố hôm 12/9/2022 trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences. Giáo sư Tomkins cho biết mẫu kim cương không gian cung cấp một quy trình mới cho các ngành công nghiệp cố gắng tái tạo trên Trái Đất.

“Tạo hóa đã cung cấp cho chúng tôi một quá trình để thử và nhân rộng kim cương siêu cứng trong ngành công nghiệp. Chúng tôi không thực sự biết lonsdaleite cứng như thế nào. Nó được ước tính về mặt toán học là cứng hơn 58% so với kim cương, nhưng điều đó vẫn chưa được chứng minh bằng phép đo. Chúng tôi nghĩ rằng lonsdaleite có thể được sử dụng để chế tạo các bộ phận máy cực nhỏ, siêu cứng nếu chúng tôi có thể phát triển một quy trình công nghiệp nhằm thúc đẩy việc thay thế các bộ phận graphite đã được định hình sẵn bằng lonsdaleite” - Giáo sư Andy Tomkins nói.

Chưa hết, lonsdaleite có tiềm năng được sử dụng để cắt các vật liệu siêu rắn trên các địa điểm khai thác.

Nghiên cứu của nhóm đã được công bố hôm thứ Hai (12/9) trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Mỹ.

Bài viết sử dụng nguồn: CNET, Space, Phys