Carbonado, thường được gọi là “kim cương đen”, là một dạng kim cương đa tinh thể đặc biệt, có cấu trúc phức tạp và nguồn gốc vẫn còn nhiều tranh luận trong giới khoa học. Tại Việt Nam, Trung tâm Kiểm định Thiên thạch OMNIFE thuộc Viện Khoa học Công nghệ và Đào tạo OMEGA (VUSTA). Nhóm nghiên cứu tạm gọi các mẫu này là vật liệu đa tinh thể có đặc điểm tương đồng với Carbonado để phục vụ quá trình nghiên cứu và đối chiếu. Phóng viên (PV) đã có cuộc trao đổi với GS.VS. TSKH. NGƯT, Viện trưởng Đinh Văn Nhã (GS. Đinh Văn Nhã) về những đặc điểm, phương pháp nhận biết cũng như triển vọng nghiên cứu vật liệu đặc biệt này.
Carbonado – “bí ẩn” của thế giới kim cương
PV: Thưa Giáo sư, vì sao Carbonado lại được giới khoa học quan tâm đặc biệt?
GS. Đinh Văn Nhã: Kim cương là một trong những khoáng vật được nghiên cứu rất nhiều và từ lâu, bởi cấu trúc tinh thể đặc biệt, độ cứng cao và giá trị kinh tế lớn. Tuy nhiên, Carbonado – thường được gọi là “kim cương đen” – lại có nhiều đặc điểm khác với kim cương thông thường.
Carbonado không phải là một tinh thể đơn lẻ mà là tập hợp của nhiều tinh thể rất nhỏ, cùng với các pha khoáng vật và kim loại khác. Các tinh thể kim cương có kích thước từ vài micromet đến hàng trăm micromet, tạo nên một cấu trúc đa tinh thể khá phức tạp.
Điểm đáng chú ý nữa là Carbonado có sự phân bố địa lý rất hạn chế. Những tài liệu quốc tế được chúng tôi tham khảo chủ yếu ghi nhận Carbonado trong các trầm tích phù sa ở Brazil và Cộng hòa Trung Phi. Nó không xuất hiện điển hình trong các ống đá kimberlite – nơi thường được biết đến là nguồn gốc của kim cương thông thường. Chính sự phân bố đặc biệt này khiến nguồn gốc của Carbonado trở thành vấn đề khoa học được quan tâm trong nhiều thập kỷ.
PV: Vậy những mẫu vật đang được nghiên cứu ở Việt Nam có đặc điểm như thế nào, thưa Giáo sư?
GS. Đinh Văn Nhã: Tại Việt Nam, Trung tâm Kiểm định Thiên thạch OMNIFE đang nghiên cứu một số mẫu vật có những đặc tính vật lý, hóa học và thẩm mỹ tương đồng với Carbonado. Nhóm nghiên cứu gọi chung là Carbonado, cũng chính là kim cương đa tinh thể.
Qua các quan sát và so sánh bước đầu, vật liệu này có màu nâu, đen, xám; Một số mẫu sau khi mài bóng có thể xuất hiện hiệu ứng phản xạ giống “ánh gương”. Tỷ trọng của các mẫu được nêu trong nghiên cứu nằm trong khoảng 3,55-3,75 so với tỷ trọng đá thông thường.
Cấu trúc của vật liệu đa tinh thể này có sự hiện diện của nhiều pha vật chất khác nhau. Chính cấu trúc này tạo nên những đặc điểm khác biệt so với kim cương đơn tinh thể thông thường.
Đằng sau màu đen là một cấu trúc rất phức tạp
PV: Một trong những điểm đáng chú ý của loại vật liệu này là cấu trúc và độ cứng. Giáo sư có thể nói rõ hơn?
GS. Đinh Văn Nhã: Carbonado có cấu trúc rất phức tạp. Nhiều tinh thể kim cương nhỏ đan xen với các pha khoáng vật và kim loại tạo thành một khối vật chất không đồng nhất hoàn toàn.
Các tài liệu được tổng hợp trong nghiên cứu cho thấy Carbonado có cấu trúc vi lỗ rỗng (bọt, không phải là vi dẫn) khoảng 10% thể tích. Trong các hệ thống vi lỗ rỗng này có thể tồn tại những khoáng vật thứ sinh được hình thành trong quá trình tạo thành kim cương và biến đổi lâu dài.
Về độ cứng, kim cương đơn tinh thể có độ cứng rất cao, nhưng đối với Carbonado được tìm thấy tại Việt Nam chúng tôi đang có mẫu, nghiên cứu mô tả độ cứng tổng thể (tùy vị trí và hướng thử) khoảng 8,5-9,5 Mohs. Sự khác biệt này được xem xét trong mối liên hệ với việc vật liệu chứa nhiều pha và mạng lưới các tinh thể nano kim cương đan xen.
Cấu trúc đa tinh thể cũng được cho là giúp vật liệu có khả năng chịu va đập và mài mòn tốt. Đây là một trong những lý do chúng tôi quan tâm đến khả năng ứng dụng vật liệu này trong chế tác trang sức cũng như nghiên cứu các vật liệu có độ cứng cao trong cơ khí chế tạo khác.
PV: Có thể nói vẻ ngoài của Carbonado khá khác biệt so với những viên kim cương mà công chúng thường thấy?
GS. Đinh Văn Nhã: Đúng vậy. Kim cương thông thường thường được hình dung là những tinh thể trong suốt hoặc có màu sắc nhất định, trong khi Carbonado có màu xám sẫm, đen hoặc nâu và có cấu trúc đa tinh thể.
Một số mẫu sau khi mài bóng có thể tạo ra hiệu ứng phản xạ trên bề mặt. Đây là yếu tố tạo nên giá trị thẩm mỹ riêng của vật liệu. Vì thế, bên cạnh nghiên cứu khoa học về cấu trúc và nguồn gốc, chúng tôi cũng xem xét khả năng ứng dụng trong lĩnh vực trang sức và ứng dụng vật liệu đặc biệt.
Tuy nhiên, cần phân biệt rõ giữa giá trị thẩm mỹ, tiềm năng ứng dụng và việc xác định nguồn gốc, bản chất khoa học của mẫu vật. Đây là những vấn đề cần được nghiên cứu khoa học bằng các phương pháp chuyên sâu.
Nguồn gốc vẫn là câu hỏi lớn
PV: Một vấn đề rất được quan tâm là Carbonado hình thành như thế nào. Nghiên cứu hiện nay đang đặt ra những giả thuyết nào?
GS. Đinh Văn Nhã: Hiện có nhiều giả thuyết về nguồn gốc Carbonado. Trong nghiên cứu của chúng tôi, ba nhóm giả thuyết chính được tổng hợp từ các tài liệu quốc tế.
Thứ nhất là giả thuyết về nguồn gốc ngoài Trái Đất. Theo giả thuyết này, Carbonado có thể hình thành trong môi trường giàu carbon của một hành tinh/ngôi sao sụp đổ bên ngoài Hệ Mặt Trời. Các hạt bụi vũ trụ kim cương nano có thể ngưng tụ trong không gian liên hành tinh, sau đó tích tụ thành những vật thể lớn hơn và được đưa đến Trái Đất trong thời kỳ Tiền Cambri. Một số dữ liệu về khí hiếm và pha kim loại được viện dẫn để thảo luận giả thuyết này.
Thứ hai là giả thuyết biến chất do va chạm thiên thạch. Theo hướng này, Carbonado có thể hình thành trên Trái Đất dưới tác động của những vụ va chạm thiên thạch có năng lượng rất lớn, tạo ra áp suất và nhiệt độ đủ cao để làm biến đổi vật chất chứa carbon thành cấu trúc đa tinh thể nano, chúng bị cháy bay vào trái đất.
Thứ ba là giả thuyết phóng xạ nội sinh, theo đó sự tập trung của các nguyên tố phóng xạ như uranium và thorium trong lớp vỏ Trái Đất cổ đại có thể tạo ra bức xạ năng lượng cao, tác động đến vật chất chứa carbon hoặc graphite.
Mỗi giả thuyết đều có những lập luận và những vấn đề cần tiếp tục giải thích. Vì vậy, nguồn gốc Carbonado đến nay vẫn là một câu hỏi khoa học chưa có lời giải thống nhất, có sự khác thường về độ cứng, màu sắc và cân nặng khác lạ nên có thể người ta gọi là thiên thạch, để phân biệt với đá thường của trái đất, nên cần có khoa học chứng minh dựa trên bằng chứng khoáng vật học, địa hóa học và đồng vị.
Không thể nhận biết chỉ bằng mắt thường
PV: Với một vật liệu đặc biệt như vậy, đâu là phương pháp để nhận biết và phân biệt Polycrystalline Carbonado với các vật liệu màu đen khác?
GS. Đinh Văn Nhã: Không thể chỉ dựa vào màu sắc hay hình thức bên ngoài. Việc nhận biết Carbonado cần kết hợp các phương pháp giám định ngọc học với các kỹ thuật phân tích hiện đại.
Một trong những phương pháp được sử dụng là quan sát cấu trúc vi mô bằng kính hiển vi phân cực. Ở độ phóng đại khoảng 400-1.000 lần, có thể quan sát những cấu trúc dạng sóng, cấu trúc hình học và các vùng vật liệu khác nhau. Một số vi tinh thể được mô tả là có hình thái đáng chú ý (microdiamond) nằm xen kẽ trong nền graphite và các pha khoáng khác.
Sau khi mài bóng bằng bột mài kim cương, những vùng vật liệu có độ cứng khác nhau sẽ có mức độ mài mòn khác nhau. Các vi tinh thể cứng vẫn có thể được quan sát trên nền vật liệu. Đây là một dấu hiệu hỗ trợ cho việc nghiên cứu vi cấu trúc.
Bên cạnh đó là kính hiển vi điện tử quét SEM, giúp nghiên cứu cấu trúc ở độ phân giải cao hơn, đặc biệt là hệ thống vi lỗ rỗng và sự phân bố các tinh thể nano đến micromet.
Một phương pháp khác là kính hiển vi huỳnh quang sử dụng nguồn UV bước sóng 365nm. Các vùng phát quang với màu sắc khác nhau có thể hỗ trợ việc nhận diện các tổ hợp vi tinh thể.
Đặc biệt, phổ Raman là phương pháp có ý nghĩa trong xác định trạng thái liên kết carbon và không phá hủy mẫu. Kim cương đơn tinh thể tinh khiết thường có đỉnh Raman đặc trưng gần 1.332 cm⁻¹. Với Carbonado, do cấu trúc đa tinh thể nano và sự hiện diện của carbon vô định hình hoặc graphite, phổ có thể mở rộng hoặc dịch chuyển.
Đối với một mẫu Carbonado tại Việt Nam, dữ liệu trong nghiên cứu ghi nhận một đỉnh cao, sắc tập trung khoảng 1.280-1.290 cm⁻¹ và dải phổ rộng khoảng 1.600-1.700 cm⁻¹. Trung tâm OMNIFE đang tiếp tục đánh giá nguyên nhân của sự khác biệt này so với thông tin các mẫu Carbonado được ghi nhận ở Brazil và Cộng hòa Trung Phi.
Cần tiếp tục nghiên cứu để có kết luận chắc chắn
PV: Như vậy, nghiên cứu về Carbonado tại Việt Nam đang ở giai đoạn nào và những vấn đề gì cần tiếp tục làm rõ?
GS. Đinh Văn Nhã: Đây là một hướng nghiên cứu còn nhiều vấn đề cần được làm rõ. Những quan sát hiện nay cho thấy đối với một mẫu vật đang được OMNIFE nghiên cứu tại Việt Nam có một số đặc điểm tương đồng với mô tả Carbonado trong các tài liệu quốc tế. Tuy nhiên, chúng tôi vẫn đang tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu về cấu trúc, thành phần, năng lượng, độ phóng xạ và sự khác biệt phổ học.
Các phương pháp như phân tích đồng vị carbon C13/C12 bằng khối phổ kế tỷ lệ đồng vị, phân tích các nguyên tố vết, bao thể kim loại bằng những kỹ thuật như INAA hoặc SIMS có thể cung cấp thêm thông tin phục vụ nghiên cứu nguồn gốc địa chất và quá trình hình thành.
Điều quan trọng là phải có dữ liệu thực nghiệm đầy đủ, được kiểm chứng bằng các phương pháp khoa học phù hợp. Những vấn đề liên quan đến nguồn gốc vật liệu ngoài Trái Đất, nguồn gốc do va chạm thiên thạch hay các cơ chế hình thành khác cần được tiếp tục kiểm chứng, chứ không nên kết luận chỉ từ một vài dấu hiệu riêng lẻ.
PV: Giáo sư đánh giá thế nào về triển vọng của vật liệu này trong thời gian tới?
GS. Đinh Văn Nhã: Trước hết, giá trị của nghiên cứu nằm ở việc góp thêm dữ liệu khoa học về một vật liệu đa tinh thể có cấu trúc phức tạp và nhiều đặc điểm khác biệt.
Nếu tiếp tục xác định được rõ hơn cấu trúc, thành phần và các tính chất đặc trưng, vật liệu có thể được đánh giá về khả năng ứng dụng trong chế tác trang sức, công cụ cắt gọt và một số hướng nghiên cứu về vật liệu siêu cứng và chịu lực.
Tuy nhiên, trước khi nói đến những ứng dụng rộng hơn, cần tiếp tục hoàn thiện cơ sở khoa học để nhận biết, phân loại và đánh giá vật liệu. Trung tâm Kiểm định Thiên thạch OMNIFE thuộc Viện Khoa học Công nghệ và Đào tạo OMEGA đang tiếp tục công việc nghiên cứu này.
Tôi cho rằng với những vật liệu đặc biệt, càng có giá trị và càng hiếm thì yêu cầu về nghiên cứu, kiểm định và minh chứng khoa học càng phải chặt chẽ. Mục tiêu cuối cùng là có được cơ sở khoa học đủ tin cậy để phân biệt, nhận biết và đánh giá đúng bản chất của vật liệu, từ đó mới có thể nói đến giá trị và khả năng ứng dụng của nó một cách thuyết phục.
PV: Xin trân trọng cảm ơn GS.VS. TSKH. NGƯT. Đinh Văn Nhã về cuộc trò chuyện này.
Lê Hồng (thực hiện)
