Kim cương công thức hoá học và cấu trúc tinh thể độc đáo biến nó trở thành vật liệu quý giá và bền vững nhất trên Trái Đất. Nhờ những đặc trưng tính chất vật lý, quang học, tính dẫn điện, dẫn nhiệt mà kim cương được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp và trang sức!
Quá trình hình thành kim cương ngoài tự nhiên
Kim cương được hình thành sâu trong lòng đất, tại các khu vực có khoáng vật chứa Carbon dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cực kỳ cao.
- Trong vùng lục địa, kim cương thường được hình thành ở độ sâu khoảng 150 km (tương đương khoảng 90 dặm). Ở độ sâu 150 km, áp suất đạt 5 gigapascal và nhiệt độ xấp xỉ 1.200°C (2.200°F).
- Trong môi trường đại dương, kim cương được hình thành ở vùng sâu hơn so với vùng lục địa (điều kiện nhiệt độ cao hơn và áp suất lớn hơn). Khi áp suất và nhiệt độ giảm dần, các viên kim cương phát triển lớn hơn bình thường.
Theo các nghiên cứu khoa học, Carbon trong kim cương có nguồn gốc từ cả hai dạng: Carbon vô cơ (Carbonate tự nhiên trong lớp trung gian của Trái Đất) và Carbon hữu cơ (thực vật). Phương pháp phân tích đồng vị Carbon cũng được sử dụng để nghiên cứu niên đại (tuổi thọ) và nguồn gốc của kim cương.
Kim cương công thức hoá học: Quá trình hình thành ngoài tự nhiên
Kim cương công thức hoá học
Kim cương có công thức hóa học cấu tạo từ các nguyên tử Carbon (C). Trong tự nhiên, các nguyên tử Carbon này thường bắt nguồn từ Carbonate (muối chứa gốc Carbon) hoặc từ các hợp chất hữu cơ có trong thực vật.
Kim cương có cấu trúc nguyên tử đặc biệt: Mỗi nguyên tử Carbon được liên kết với bốn nguyên tử Carbon khác theo một cấu trúc không gian gọi là lập phương tâm diện (FCC – Face-Centered Cubic).
Kim cương công thức hoá học: Cấu trúc lập phương tâm diện
Cấu trúc lập phương tâm diện tạo mạng lưới liên kết chặt chẽ giúp kim cương có độ cứng và độ bền vượt trội. Độ cứng của kim cương đạt mức cao nhất theo thang đo độ cứng Mohs (10/10), được coi là vật liệu cứng nhất từng được biết đến.
Tuy nhiên, không phải tất cả các viên kim cương đều hoàn toàn tinh khiết. Trong quá trình hình thành trong lòng đất, kim cương có thể hấp thụ một lượng nhỏ các tạp chất như Nitơ (N), Silic (Si) hoặc Lưu huỳnh (S). Những tạp chất này không chỉ ảnh hưởng đến độ tinh khiết mà còn làm thay đổi màu sắc và các tính chất vật lý khác của kim cương, cụ thể:
- Tạp chất Nitơ khiến viên kim cương có sắc nâu hoặc vàng (Màu sắc khá phổ biến của kim cương)
- Silic có thể thay thế nguyên tử Carbon, tạo ra các khuyết tật nhỏ, làm giảm độ trong suốt và độ bền của kim cương. Lưu huỳnh thường hình thành các bao thể hoặc đốm màu, gây mờ đục và ảnh hưởng đến khả năng tán sắc ánh sáng.
Nhờ cấu trúc tinh thể độc đáo và sự tồn tại của các tạp chất tự nhiên, mỗi viên kim cương có những đặc điểm riêng, độc nhất vô nhị và là căn cứ định giá kim cương.
Kim cương công thức hoá học: Tạp chất trong kim cương
Tính chất của kim cương
Tính chất vật lý
- Độ cứng: Kim cương là vật liệu tự nhiên cứng nhất trong các loại đá quý, đạt 10/10 trên thang đo độ cứng Mohs. Điều này chính là nguồn gốc của tên gọi “kim cương” (kim loại cứng).
- Độ giòn: Mặc dù kim cương có độ cứng gần như tuyệt đối, nhưng lại khá giòn và dễ vỡ khi chịu tác động mạnh. Điều này là do cấu trúc tinh thể của kim cương, dù rất bền dưới áp lực nén, nhưng không đủ linh hoạt để chống chịu các lực va đập mạnh.
- Màu sắc: Kim cương có nhiều màu sắc khác nhau như xanh, hồng, vàng… Sự tồn tại của các tạp chất (đặc biệt là Nitơ) là nguyên nhân chính tạo ra những màu sắc đặc trưng của từng viên kim cương.
- Độ bền nhiệt độ: Dưới áp suất khí quyển 1 atm, kim cương không ổn định và có thể phân hủy ở nhiệt độ khoảng 800°C (khi được cung cấp có đủ oxy). Ở điều kiện nhiệt độ, áp suất bình thường, kim cương sẽ từ từ biến đổi thành than chì qua hàng tỷ năm.
Kim cương công thức hoá học: Màu sắc kim cương
Tính quang học
Kim cương có khả năng tán sắc vượt trội nhờ chiết suất cao (khoảng 2.417) và có thể thay đổi linh hoạt theo bước sóng ánh sáng. Khi ánh sáng trắng đi qua, kim cương phân tách thành các dải màu sắc rực rỡ, tạo nên vẻ lấp lánh đặc trưng (còn được gọi là hiệu ứng ánh sáng Adamantine).
Tính dẫn điện
Phần lớn kim cương tồn tại ngoài tự nhiên là chất cách điện tốt, ngoại trừ kim cương xanh dương (do có chứa tạp chất dẫn điện). Tuy nhiên, một số viên kim cương xanh dương tìm thấy ở Úc không chứa tạp chất dẫn điện vì vậy không dẫn điện.
Kim cương công thức hoá học: Tính dẫn điện
Tính dẫn nhiệt
Kim cương có cấu trúc tinh thể với các nguyên tử Carbon liên kết chặt chẽ, tạo nên khả năng dẫn nhiệt vượt trội. Cấu trúc tinh thể biến kim cương trở thành một trong những vật liệu dẫn nhiệt tốt nhất.
Kết bài:
Với những tính chất đặc trưng như độ cứng vượt trội, khả năng tán sắc ánh sáng, dẫn nhiệt xuất sắc và tính chất quang học độc đáo, kim cương không chỉ là biểu tượng của sự sang trọng quý phái mà còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
