Đều làm từ carbon: điều gì tạo nên sự khác nhau giữa kim cương và than?

Kim cương cứng và rắn rỏi, than chì xốp, dễ bẻ vụn. Kim cương sáng đẹp, than chì đen bụi. Vậy nguyên nhân của sự khác biệt này là gì?

Kim cương và than chì là hai dạng thù hình của cùng một nguyên tố Carbon và sự khác biệt về tính chất là kết quả của sự sắp xếp cấu trúc tinh thể của chúng. Kim cương là một đồng vị carbon rất ổn định bao gồm nguyên tử carbon lai hóa sp³ . Sự sắp xếp của các nguyên tử carbon này trong kim cương được gọi là cấu trúc tinh thể lập phương tâm diện. Sự sắp xếp của các nguyên tử carbon trong kim cương ở dạng tứ diện, đồng nghĩa rằng mỗi nguyên tử cacbon được gắn liền với 4 nguyên tử cacbon khác, hình thành liên kết hóa trị mạnh mẽ. Cấu trúc này đem đến đặc điểm là độ bền và độ cứng cho kim cương, để làm xước hoặc phá vỡ kim cương đòi hỏi một lực cực lớn, khiến kim cương trở thành một trong những vật liệu cứng nhất trong tự nhiên.

Sự xuất hiện của kim cương là không màu và sáng bóng. Tất cả các liên kết hóa học giữa các nguyên tử carbon là liên kết cộng hóa trị. Ở đó, các nguyên tử carbon lai sp³ được liên kết với nhau. Một tính năng đặc biệt của kim cương là độ tán sắc ánh sáng cao. Kim cương là một chất trong suốt. Cả độ cứng và sự phân tán của ánh sáng làm cho kim cương được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và sản xuất trang sức. Kim cương là chất khoáng cứng nhất đã được tìm thấy trên trái đất. Kim cương cực kỳ cứng và trong suốt. Nó không dẫn điện và có điểm nóng chảy cao hơn.

Cấu trúc của kim cương và than đá khác nhau, tạo nên hình hài khác nhau.

Than chì thì hoàn toàn ngược lại. Các nguyên tử cacbon xếp thành các lớp 2D, mỗi nguyên tử cacbon sẽ liên kết với ba nguyên tử cacbon khác để hình thành nên hình sáu cạnh trong một chuỗi dài vô hạn. Dù liên kết nguyên tử trong mỗi lớp là các liên kết cộng hóa trị và khá mạnh (tương đương kim cương) nhưng liên kết giữa các lớp với nhau lại rất yếu (do lực Van der Waals). Kết quả của sự sắp xếp này là các lớp trượt lên nhau và có thể tách khỏi nhau dễ dàng. Những liên kết yếu giữa nhiều lớp nguyên tử carbon làm cho than chì được sử dụng phổ biến trong bút chì và có thể gọt dễ dàng.

Một tập thể có số lượng cá thể và đặc điểm cá thể như nhau, nếu chỉ tồn tại đơn lẻ, hoặc liên kết theo từng nhóm cá nhân lỏng lẻo, khi có tác động nhỏ từ bên ngoài lại quá dễ dàng để bị “bẻ gãy” và tan rã, nhưng nếu có sự gắn kết thật sự vững chắc, thì tập thể đó có thể cùng vượt qua những thử thách, cùng tạo ra giá trị, cùng phát triển cứng cáp và sáng loáng như kim cương.

Bạn muốn mình nằm trong mẩu than chì trên đầu bút mòn đi theo ngày tháng hay trong một viên kim cương lấp lánh đính chắc trên vương miện danh giá?