Kim cương từ lâu đã được biết đến là một trong những khoáng chất cứng nhất trên Trái Đất, hình thành từ carbon dưới áp suất và nhiệt độ cực cao trong lòng hành tinh. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng một số viên kim cương không hề được hình thành sâu trong lòng đất mà đến từ những vụ va chạm dữ dội trong không gian, tạo ra những dạng kim cương đặc biệt, bao gồm cả một biến thể có tên lonsdaleite.
Lịch sử nghiên cứu về kim cương không gian bắt đầu từ năm 1891, khi các nhà khoa học kiểm tra một thiên thạch rơi xuống Canyon Diablo, Arizona, Hoa Kỳ. Họ phát hiện bên trong thiên thạch có các “hạt cứng” kỳ lạ. Mãi đến năm 1939, những hạt này mới được xác định là một hỗn hợp của kim cương, than chì và một khoáng chất chưa từng thấy trước đó. Khoáng chất mới này sau đó được đặt tên là lonsdaleite để vinh danh giáo sư Dame Kathleen Lonsdale, một nhà tinh thể học nổi tiếng.
Ban đầu, các nhà khoa học giả định rằng lonsdaleite chính là một dạng kim cương có cấu trúc hình lục giác, khác với dạng kim cương khối lập phương thông thường mà chúng ta quen thuộc. Tuy nhiên, vào năm 2022, khi nghiên cứu lại các mẫu thiên thạch chứa lonsdaleite, các nhà khoa học phát hiện ra một sự thật bất ngờ. Thay vì một tinh thể lục giác hoàn chỉnh, lonsdaleite tồn tại dưới dạng các tinh thể nano có cấu trúc đặc biệt, với các lớp sắp xếp tương tự như graphene. Điều này cho thấy sự hình thành của lonsdaleite có thể phức tạp hơn nhiều so với những giả định ban đầu.
Một câu hỏi lớn đặt ra là: làm thế nào mà kim cương và lonsdaleite lại có thể xuất hiện bên trong các thiên thạch? Bởi vì các tiểu hành tinh và sao chổi vốn không phải là những môi trường có áp suất và nhiệt độ cao như trong lòng Trái Đất, điều này khiến các nhà khoa học tin rằng chúng không thể tạo ra kim cương theo cách thông thường. Tuy nhiên, khi một thiên thạch va chạm với Trái Đất hoặc một vật thể khác trong không gian, nó có thể tạo ra một áp lực khổng lồ trong thời gian cực ngắn. Sự nén sốc này có thể biến đổi carbon trong thiên thạch thành kim cương hoặc lonsdaleite.
Trong một nghiên cứu về các mẫu thiên thạch, các nhà khoa học phát hiện rằng những viên kim cương không gian này có thể đã được tạo ra khi than chì ban đầu trong thiên thạch bị nén mạnh. Khi áp lực đủ lớn, nó có thể tạo ra nhiệt độ cực cao trong thời gian rất ngắn, dẫn đến sự chuyển hóa từ than chì sang kim cương và lonsdaleite. Quá trình này tương tự như cách mà kim cương tổng hợp được tạo ra trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp nén sốc.
Không chỉ hình thành do va chạm với Trái Đất, kim cương không gian còn có thể được tạo ra trong những vụ va chạm giữa các thiên thể ngoài vũ trụ. Một nghiên cứu khác vào năm 2022 đã đề xuất rằng lonsdaleite có thể được sinh ra từ một vụ va chạm cổ xưa giữa một tiểu hành tinh lớn và một hành tinh lùn. Khi xảy ra va chạm, các điều kiện khắc nghiệt có thể khiến một phần vật chất bị nung chảy và tạo ra một môi trường tương tự như phương pháp lắng đọng hơi hóa học (chemical vapor deposition – CVD) mà con người sử dụng để tạo kim cương nhân tạo trong phòng thí nghiệm.
Giáo sư Dougal McCulloch, giám đốc Cơ sở Phân tích Vi mô và Kính hiển vi tại Đại học RMIT, giải thích rằng trong vụ va chạm này, một chất lỏng siêu tới hạn có thể đã được hình thành bên trong thiên thạch. Chất lỏng này sau đó nguội đi, cho phép lonsdaleite kết tinh, và một phần trong số đó dần dần chuyển hóa thành kim cương thông thường. Điều này cho thấy rằng ngoài quá trình nén sốc, sự hình thành kim cương trong vũ trụ có thể có nhiều cơ chế khác nhau, phức tạp hơn rất nhiều so với những gì chúng ta từng nghĩ.
Lonsdaleite không chỉ là một khoáng chất thú vị để nghiên cứu mà còn có thể có ứng dụng thực tiễn rất lớn. Theo các nhà khoa học, lonsdaleite có thể chịu được áp lực cao hơn 58% so với kim cương thông thường. Điều này khiến nó trở thành một vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng công nghệ cao, chẳng hạn như trong công nghiệp chế tạo, hàng không vũ trụ, hoặc thậm chí là trong điện tử.
Một nghiên cứu khác cũng chỉ ra rằng cấu trúc diaphite của các tinh thể kim cương không gian có thể mang lại những đặc tính điện tử đặc biệt. Các lớp graphene nằm giữa những cấu trúc kim cương có thể tạo ra các con đường dẫn điện, mở ra khả năng ứng dụng trong các thiết bị siêu dẫn hoặc các linh kiện điện tử tiên tiến. Nếu con người có thể tổng hợp lonsdaleite với số lượng đủ lớn trong phòng thí nghiệm, nó có thể trở thành một vật liệu quan trọng trong tương lai.
Phát hiện về kim cương không gian không chỉ mở rộng hiểu biết của chúng ta về cách kim cương có thể hình thành ngoài vũ trụ mà còn giúp con người tìm kiếm những phương pháp mới để tạo ra các vật liệu siêu bền. Thay vì chỉ phụ thuộc vào quá trình hình thành kim cương tự nhiên trong lòng đất, chúng ta có thể nghiên cứu cách mô phỏng các điều kiện vũ trụ để tạo ra những vật liệu cứng hơn, nhẹ hơn và có nhiều ứng dụng hơn trong khoa học và công nghệ.
