Với sự khan hiếm và giá trị cao của kim cương tự nhiên, các nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển các phương pháp chế tạo kim cương nuôi cấy có chất lượng tương đương kim cương tự nhiên. Vậy làm kim cương như thế nào? Bài viết sau đây sẽ giới thiệu các phương pháp chế tạo kim cương phổ biến hiện nay!
Cách làm kim cương trong phòng thí nghiệm
Kim cương nuôi cấy hiện nay được tạo ra chủ yếu thông qua các phương pháp mô phỏng quá trình hình thành kim cương ngoài tự nhiên. Kim cương tự nhiên có cấu trúc hóa học được hình thành từ các nguyên tử Carbon liên kết chặt chẽ với nhau trong một mạng tinh thể ba chiều. Ở độ sâu dưới lòng đất (hay đại dương), trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cực cao, kim cương tự nhiên được hình thành qua hàng triệu năm.
Phương pháp “trồng” kim cương nuôi cấy hiện nay chính là dựa theo nguyên tắc này để chế tạo kim cương. Trong đó hai phương pháp chính được áp dụng phổ biến nhất là phương pháp cao áp cao nhiệt (HPHT) và phương pháp bốc hơi lắng tụ hóa học (CVD).
Phương pháp làm kim cương bốc hơi lắng tụ (CVD)
Kim cương CVD (Chemical Vapor Deposition) được tạo ra trong phòng thí nghiệm thông qua quy trình lắng đọng hơi hóa học hiện đại. Quy trình này tái tạo môi trường tự nhiên hình thành kim cương nhưng với sự kiểm soát chặt chẽ và tốc độ nhanh hơn.
Các bước chính trong quá trình sản xuất kim cương CVD bao gồm:
- Bước 1 – Chuẩn bị hạt kim cương: Một hạt kim cương mỏng (thường là kim cương tự nhiên) được chọn để phát triển viên kim cương mới.
- Bước 2 – Tạo môi trường giàu carbon: Hạt kim cương được đặt trong buồng chân không và làm nóng đến khoảng 800°C. Sau đó, khí giàu carbon (như methane) được bơm vào buồng.
- Bước 3 – Ion hóa khí carbon: Khí carbon được ion hóa bằng năng lượng cao, thường từ sóng vi ba hoặc plasma, để phân tách các phân tử carbon thành dạng nguyên tử.
- Bước 4 – Kết tinh carbon: Các nguyên tử carbon tinh khiết gắn kết lên bề mặt hạt kim cương ban đầu, từng lớp một, tạo thành cấu trúc kim cương.
- Bước 5 – Hoàn thiện viên kim cương: Quá trình này tiếp tục trong vài ngày hoặc vài tuần để đạt yêu cầu về kích thước, chất lượng.
Phương pháp làm kim cương trong phòng thí nghiệm: Kim cương CVD
Với quy trình này, một viên kim cương CVD có thể được tạo ra trong khoảng 2-4 tuần, thay vì hàng triệu năm như trong tự nhiên. Các viên kim cương nuôi cấy theo phương pháp CVD có chất lượng tương đương với kim cương tự nhiên, nhưng quy trình sản xuất nhanh chóng và ít tốn kém hơn.
Phương pháp làm kim cương áp suất cao nhiệt (HPHT)
HPHT (High Pressure High Temperature) là phương pháp mô phỏng quá trình hình thành kim cương trong tự nhiên bằng cách tạo ra môi trường có nhiệt độ và áp suất cực kỳ cao.
- Bước 1 – Chuẩn bị nguyên liệu và buồng phản ứng: Sử dụng hạt giống kim cương và carbon (thường ở dạng than chì), đặt trong buồng chịu được nhiệt độ và áp suất cao.
- Bước 2 – Đặt hạt giống và carbon vào buồng: Hạt giống được đặt ở trung tâm, bao quanh bởi carbon để cung cấp nguyên tử cho quá trình kết tinh.
- Bước 3 – Tạo áp suất và nhiệt độ cao: Buồng được kích hoạt để đạt đến nhiệt độ 1.300–1.600°C và áp suất 5.000–6.000 MPa.
- Bước 4 – Kết tinh kim cương: Carbon chuyển sang trạng thái lỏng, các nguyên tử kết tinh xung quanh hạt giống, tạo thành viên kim cương.
- Bước 5 – Làm nguội và thu hoạch: Sau khi kết tinh, buồng được làm nguội từ từ để ổn định cấu trúc, rồi thu hoạch kim cương.
- Bước 6 – Xử lý và hoàn thiện: Viên kim cương được làm sạch, kiểm tra chất lượng và có thể xử lý thêm (nếu cần).
Phương pháp làm kim cương trong phòng thí nghiệm: Kim cương HPHT
Mặc dù phương pháp này có thể tạo ra kim cương chất lượng cao, nhưng chi phí sản xuất rất cao vì yêu cầu thiết bị và điều kiện khắt khe. Do đó, kim cương nuôi cấy được tạo ra từ phương pháp HPHT thường có giá thành không hề rẻ.
Phương pháp làm kim cương từ than chì
Ngoài hai phương pháp chính HPHT và CVD, các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu và phát triển một số phương pháp khác để tạo ra kim cương nuôi cấy.
Than chì và kim cương đều là hai dạng của Carbon nhưng có cấu trúc và tính chất khác nhau. Ý tưởng biến than chì thành kim cương sử dụng nhiệt độ và áp suất cao đã được áp dụng tuy nhiên kim cương tạo ra kém chất lượng vì chứa nhiều tạp chất. Những tạp chất này làm giảm độ trong suốt và giá trị của viên kim cương.
Tuy nhiên, các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm SLAC của Đại học Stanford đã phát hiện một phương pháp mới gọi là Hydro hóa Graphene. Phương pháp này giúp tạo ra các mảng kim cương siêu mỏng mà không cần áp suất cao, mở ra cơ hội ứng dụng kim cương trong các ngành công nghiệp.
Phương pháp làm kim cương từ than chì có khả thi?
Cách làm kim cương tại nhà
- Bước 1 – Chuẩn bị nguyên vật liệu: Chuẩn bị 2 cốc sứ, 3 mảnh ruột bút chì (graphite), vài giọt dầu oliu, một đoạn sợi chỉ cotton 100% (khoảng 12 cm) và lò vi sóng.
- Bước 2 – Xử lý sợi chỉ với dầu oliu: Thấm đều dầu oliu vào sợi chỉ cotton để tập trung nhiệt vào mảnh graphite. Buộc sợi chỉ thành nút lỏng để dễ dàng cố định vào graphite.
- Bước 3 – Thấm dầu oliu vào graphite: Buộc sợi chỉ đã thấm dầu quanh một mảnh graphite, giữ chắc nhưng không quá chặt. Đặt mảnh graphite lên hai que tăm để cách đĩa và đợi 30 phút cho dầu thấm hoàn toàn.
- Bước 4 – Sắp xếp “nồi nấu”: Đặt hai mảnh graphite song song trên đáy một cốc sứ úp ngược. Đặt mảnh graphite có sợi chỉ lên trên, không chạm vào cốc. Úp cốc sứ thứ hai lên trên để tạo không gian kín.
- Bước 5 – Đặt vào lò vi sóng: Cho “nồi nấu” vào lò vi sóng, chỉnh công suất và thời gian ở mức tối đa. Tia lửa nhỏ xuất hiện ban đầu là bình thường và sẽ dừng sau vài phút. Đợi lò nguội hoàn toàn trước khi mở ra.
- Bước 6 – Kết quả: Sau khi nguội, mở cốc sứ và lấy graphite ra. Một viên kim cương nhỏ, kích thước bằng hạt cát, sẽ hình thành tại vị trí buộc sợi chỉ.
Phương pháp làm kim cương tại nhà
Kết luận:
Với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo kim cương nuôi cấy, ngành công nghiệp này đang ngày càng phát triển mạnh mẽ. Chế tạo hay làm kim cương trong phòng thí nghiệm không chỉ giúp giảm thiểu sự khai thác tài nguyên thiên nhiên mà còn mở ra cơ hội cho những sản phẩm chất lượng cao với chi phí hợp lý.
