Vì sao kim cương lại đặc biệt cứng như vậy?

Chắc bạn khó ngờ rằng kim cương sáng lấp lánh và than chì đen thui lại là “anh em họ hàng”. Cả hai đều là cacbon tinh khiết tồn tại trong tự nhiên, chỉ khác nhau về hình dáng và tính chất.

Than chì rất mềm, chỉ cần dùng một mảnh nhỏ vạch nhẹ lên giấy là có thể để lại vết đen. Ruột bút chì được làm từ than chì. Còn kim cương là khoáng vật cứng nhất trong họ khoáng vật, được xem là “quán quân” về độ cứng. Ở các cửa hàng kính, nhân viên dùng kim cương làm lưỡi dao để cắt kính. Trong máy khoan sâu, mũi khoan gắn kim cương giúp tăng tốc độ xuyên sâu lên rất nhiều. Dao kim cương còn được dùng để gia công các kim loại và hợp kim cứng nhất.

Than chì và kim cương đều thuộc họ cacbon, vậy vì sao tính chất của chúng lại khác nhau nhiều như vậy?

Nguyên nhân nằm ở cách sắp xếp nguyên tử. Trong than chì, các nguyên tử cacbon sắp xếp thành từng lớp; lực liên kết giữa các lớp rất nhỏ, giống như các lá bài xếp chồng trong một cỗ bài nên rất dễ tách khỏi nhau. Còn trong kim cương, các nguyên tử cacbon sắp xếp thành tinh thể đều đặn, mỗi nguyên tử cacbon liên kết chặt chẽ với 4 nguyên tử xung quanh, tạo thành cấu trúc tinh thể rất bền chắc, vì thế kim cương có độ cứng cực cao.

Sản lượng kim cương trong tự nhiên rất ít, thường bị vùi sâu trong vỏ Trái Đất. Chỉ trong điều kiện nhiệt độ và áp suất rất cao của các lớp dung nham sâu trong lòng đất, cacbon mới có thể kết tinh thành những tinh thể kim cương quý giá. Vì kim cương thiên nhiên ít, giá trị lớn và rất quý, con người đã tìm cách dùng nhiệt độ cao và áp suất cao để chế tạo kim cương nhân tạo.

Người ta chứng minh rằng ở nhiệt độ cao đến 2000°C và áp suất từ 5,065.107 pascal, tức khoảng 50.000 atm trở lên, kim cương mới đạt trạng thái ổn định. Gần đây, con người đã áp dụng điều kiện tương tự để biến than chì thành kim cương.