Cacbon được xem là thành phần thiết yếu cho mọi sự sống đã biết, và không có nó thì sự sống mà chúng ta đã biết không thể tồn tại. Các hợp chất của cacbon có ý nghĩa về mặt kinh tế là các hiđrôcacbon, các nhiên liệu hóa thạch như than, khí mêtan và dầu
mỏ (xăng dầu, …). Dầu mỏ được sử dụng trong công nghiệp hóa dầu để sản xuất ra vô số
các sản phẩm phục vụ cho nhu cầu của con người, thông qua các quy trình chưng cất trong lọc dầu. Dầu mỏ cũng là nguồn nguyên liệu cho nhiều chất hữu cơ tổng hợp khác, rất nhiều trong số chúng gọi chung là các chất dẻo (plastic), mà chất dẻo thì lại là một lĩnh vực cũng cực kì quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, ...
• Đồng vị Cacbon-14 được phát hiện vào ngày 27 tháng 2 năm 1940 và được sử dụng trong xác định niên đại bằng phóng xạ.
• Một số các thiết bị phát hiện sử dụng một lượng nhỏ đồng vị phóng xạ của cacbon làm nguồn bức xạ ion hóa (Phần lớn các thiết bị như thế sử dụng đồng vị của Americi).
• Graphit kết hợp với đất sét để tạo ra 'chì' sử dụng trong các loại bút chì.
• Kim cương được sử dụng vào mục đích trang sức hay trong các mũi khoan và các ứng dụng khác đòi hỏi độ cứng cao của nó.
• Cacbon được thêm vào quặng sắt để sản xuất gang và thép.
• Cacbon dưới dạng than chì được sử dụng như là các thanh điều tiết nơtron trong
các lò phản ứng hạt nhân.
• Graphit cacbon trong dạng bột, bánh được sử dụng như là than để đun nấu, bột màu trong mỹ thuật và các sử dụng khác.
• Than hoạt tính được sử dụng trong y tế trong dạng bột hay viên thuốc để hấp thụ các chất độc từ hệ thống tiêu hóa hay trong các thiết bị thở.
Các thuộc tính hóa học và cấu trúc của các fulleren, trong dạng các cacbon ống nano, có ứng dụng đầy hứa hẹn trong các lĩnh vực mới phát sinh của công nghệ nano.
Người ta đã làm nhiều nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế giúp ích cho nhân loại rất nhiều từ khi lập ra giản đồ pha của cacbon (kiểm soát các qui trình tổng hợp hữu cơ hóa dầu, nhiên liệu, chất dẻo, … hầu hết đều có sự tham gia của cacbon). Tuy nhiên, ta sẽ tìm hiểu một ý nghĩa thú vị của giản đồ pha đó là việc người ta nghiên cứu tìm cách làm sao để có thể làm ra thật nhiều kim cương.
Quá trình tổng hợp kim cương:
Những viên kim cương tổng hợp đầu tiên đã được sản xuất vào đầu thập niên 1950 tại Phòng thí nghiệm Allmana Svenska Elektriska tại Stockholm (Thụy Điển). Các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm này đã không công bố ngay kết quả công trình của mình.
Nhưng một thời gian ngắn sau đó các nhà nghiên cứu của Công ty General Electric đã công bố trong tạp chí Nature về việc họ đã tổng hợp thành công kim cương. Cả hai nhóm nghiên cứu trên đều sử dụng nhiệt độ và áp suất cao tương đương những điều kiện mà người ta cho là cần thiết để tạo thành kim cương trong tự nhiên.
+ Tổng hợp kim cương ở nhiệt độ và áp suất cao (High pressure, high temperature)
Công ty Genesis tại Florida (Mỹ) đang chế tạo kim cương trong các khoang nuôi cấy tinh thể với áp suất và nhiệt độ cực cao. Trong mỗi khoang, một mẩu nhỏ kim cương tự nhiên được nhúng trong dung dịch nóng chảy của grafit và chất xúc tác kim loại thích hợp ở
nhiệt độ khoảng 1.500oC và áp suất 58.000 atmosphere. Trong những điều kiện đó, carbon kết tủa dần lên tinh thể mầm kim cương và chỉ trong vòng ba ngày rưỡi, người ta
thu được một viên kim cương thô 2,8 cara với chất lượng bậc đá quý. Một viên kim cương thô với kích thước như vậy có thể được cắt và mài để thu được một viên kim cương lớn hơn 1,5 cara (tương đương 100 mg kim cương và nhỏ bằng một hạt thóc). Giống như kim cương màu vàng trong tự nhiên, kim cương nuôi cấy trong phòng thí nghiệm của Genesis cũng có màu vàng do có mặt các vi lượng nitơ (nếu 5 trong số 100 nghìn nguyên tử carbon trong lưới tinh thể kim cương bị thay thế bằng các nguyên tử nitơ thì kim cương sẽ có màu vàng đặc trưng này).
Kim cương với những màu được ưa thích như vàng, xanh, hồng, đỏ là những viên kim cương rất hiếm nên giá trị cũng rất cao. Giá kim cương màu vàng của Genesis (hầu như không thể phân biệt được với kim cương tự nhiên) khoảng 4.000 USD mỗi cara, thấp hơn khoảng 30% so với kim cương tự nhiên có màu sắc và chất lượng tương đương.
Trước công ty Genesis, các công ty Sumitomo Electric và De Beers đã thông báo việc tổng hợp các viên kim cương lớn theo các quy trình tương tự. Nhưng hai công ty này chỉ sử dụng kim cương nhân tạo của mình trong các dụng cụ điện tử hoặc cho mục đích nghiên cứu. Còn Genesis sản xuất kim cương dùng cho lĩnh vực trang sức. Do kim cương màu vàng của công ty này hầu như không thể phân biệt được với kim cương tự nhiên nên nhiều chuyên gia trong ngành trang sức lo ngại chúng có thể bị nhầm lẫn với kim cương tự nhiên. Vì vậy, các công ty sản xuất kim cương thường dùng tia laze để viết ký hiệu lên các viên kim cương của mình nhằm mục đích phân biệt sản phẩm. Ngoài ra, người ta có thể sử dụng phép phổ ký hồng ngoại và phát quang để phân biệt giữa kim cương tự nhiên với kim cương nhân tạo.
+ Tổng hợp kim cương bằng kết lắng hơi hóa chất (Chemical Vapor Deposition).
Những tính chất tuyệt vời của kim cương được điều chỉnh bởi những lượng tạp chất nằm trong mạng lưới tinh thể carbon, đó cũng chính là những tạp chất tạo ra màu của kim cương tự nhiên. Kim cương với lưới tinh thể carbon hoàn hảo, không có khuyết tật thì sẽ không có màu. Những loại kim cương như vậy là những chất cách điện lý tưởng, vì năng lượng cần thiết để di chuyển điện tử trong lưới tinh thể của nó rất cao. Nhưng nếu các nguyên tử carbon trong mạng lưới tinh thể này bị thay thế bằng các nguyên tử Bo (tạp
chất gây ra màu xanh tuyệt đẹp ở một số loại kim cương hiếm) thì kim cương sẽ trở thành chất bán dẫn.
(Một lò phản ứng đang tổng hợp kim cương bằng phương pháp Kết lắng hơi hóa chất) Nhưng phương pháp tổng hợp ở áp suất và nhiệt độ cao chỉ cho phép kiểm soát việc bổ sung tạp chất một cách hạn chế và kích thước của hạt kim cương cũng bị hạn chế. Do đó, một số công ty đã tổng hợp kim cương bằng phương pháp kết lắng hơi hóa chất ở áp suất thấp (phương pháp CVD). Công ty Apolo Diamond ở Boston (Mỹ) áp dụng phương pháp này để sản xuất các lát kim cương đủ lớn, có thể cắt thành các viên kim cương cỡ vài cara. Nhìn chung, phương pháp CVD cho phép sản xuất kim cương có kích thước lớn hơn và giá thành thấp hơn so với phương pháp áp suất và nhiệt độ cao, đồng thời việc bổ sung tạp chất cũng được kiểm soát tốt hơn.
Vì vậy người ta có thể sản xuất nhiều loại kim cương không màu và có màu, như màu hồng, xanh, nâu, thậm chí cả kim cương màu đen.
Phương pháp CVD áp suất thấp được Wiliam G. Eversole tại Công ty Union Carbide công bố lần đầu tiên năm 1952. Nhưng khi đó nhiều người nghi ngờ kết quả này vì cho rằng do có lẫn grafit nên kim cương sẽ không bền về mặt nhiệt động học. Một số nhà nghiên cứu cho rằng việc tổng hợp kim cương ở áp suất thấp là sự ngu ngốc hoặc lừa đảo, vì nó vi phạm Định luật nhiệt động học thứ hai. Sau đó, Công ty Union Carbide đã từ bỏ dự án sản xuất kim cương của mình. Nhưng một nhóm nhỏ các nhà khoa học Mỹ và Nga đã kiên trì theo đuổi hướng nghiên cứu này. Cuối thập niên 1960, giáo sư Angus tại Đại học Tổng hợp Case Western Reserve (Mỹ) đã chứng minh việc nuôi cấy kim cương bằng phương pháp CVD là khả thi. Trong thập niên 1980, các nhà nghiên cứu tại Viện
nghiên cứu vật liệu vô cơ, Nhật Bản, đã hoàn thiện phương pháp này để có thể áp dụng trên quy mô thương mại với hiệu quả kinh tế.
Theo giáo sư Angus, trong những điều kiện tổng hợp theo phương pháp CVD thì yếu tố then chốt đối với việc nuôi cấy kim cương không phải là grafit mà là hydro. Ở bề mặt, mạng lưới tinh thể carbon của kim cương có những liên kết "đu đưa", có khả năng liên kết chéo để sắp xếp lại bề mặt thành grafit bền hơn. Nếu dùng hydro để “bịt“ các liên kết này thì sẽ ngăn cản sự hình thành grafit và tạo ra các điểm hoạt tính bề mặt để gắn các gốc carbon.
Tại thiết bị kết lắng hơi hóa chất của Công ty Apollo, khí hydro và metan được cho đi qua khoang có chứa tinh thể mầm kim cương (thường là kim cương nhân tạo bằng phương pháp áp suất cao và nhiệt độ cao đã được mài rất bóng). Khí hydro bị tách thành các nguyên tử hydro do tác động của đèn dây tóc nóng hoặc plasma do vi sóng tạo ra. Do đó, hydro nguyên tử sẽ phản ứng với metan để tạo thành gốc metyl và khí hydro. Gốc metyl chứa carbon cuối cùng sẽ kết lắng lên mầm kim cương, tạo thành các liên kết C - C mới của kim cương.
+ Kim cương đơn tinh thể.
Cho đến những năm gần đây, phần lớn kim cương được nuôi cấy bằng phương pháp CVD không phải là đơn tinh thể mà là đa tinh thể. Kim cương đa tinh thể là sự “chắp vá” của các tinh thể kim cương nhỏ (đôi khi cả các tinh thể grafit nhỏ). Do nó giữ được nhiều tính chất tốt của kim cương đơn tinh thể nên kim cương đa tinh thể cũng có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau.
Tuy nhiên, do liên kết C - C giữa các tinh thể nhỏ xíu với nhau trong kim cương đa tinh thể yếu hơn liên kết C - C trong mạng tinh thể kim cương đơn tinh thể, nên các tính chất dẫn nhiệt, trong suốt về quang học và độ bền của kim cương đa tinh thể không cao bằng kim cương đơn tinh thể. Trên thực tế, đối với một số ứng dụng - đặc biệt, nhất là những ứng dụng điện, người ta chỉ có thể sử dụng kim cương đơn tinh thể. Để có thể thay thế silic trong sản xuất dụng cụ điện tử, người ta cần có kim cương đơn tinh thể chất lượng cao với kích thước lớn thích hợp. Phương pháp CVD của Công ty Apollo đã cho phép tạo ra kim cương đơn tinh thể như vậy, tương tự như kim cương tự nhiên.
Năm 2003, Công ty Element Six của Anh đã lần đầu tiên sản xuất được những tấm kim cương vuông với kích thước đường chéo tới 5 mm. Theo Công ty này, trong tương lai họ có khả năng sản xuất được những tấm kim cương với kích thước đường chéo trên 4 inch (khoảng 100 mm).
(Những tấm kim cương đơn tinh thể của công ty Element Six sản xuất sử dụng trong ngành cơ khí và nghiên cứu)
Nhờ tính dẫn nhiệt cao và tính lưu động điện tử cao, kim cương bán dẫn đơn tinh thể sẽ là vật liệu thích hợp cho các dụng cụ điện tử công suất cao. Nhiều công ty đã tích cực nghiên cứu tìm cách chế tạo các loại kim cương bán dẫn loại p và loại n. Những vật liệu này có triển vọng ứng dụng đầy hứa hẹn: Ngày nay các mạch vi xử lý phải chạy với nhiệt độ ngày càng cao hơn, do số transitor lắp trên chúng ngày càng nhiều. Nếu xu hướng này tiếp tục diễn ra, vật liệu silic sẽ không thể đáp ứng yêu cầu về khả năng chịu nhiệt. Khi đó kim cương sẽ là vật liệu thay thế hoàn hảo. Do giá thành cao nên kim cương nhân tạo không thể thay thế hoàn toàn silic trong nhiều ứng dụng. Nhưng trong một số ứng dụng đặc biệt với những yêu cầu rất cao, ví dụ các dụng cụ hoạt động với công suất cao hoặc ở nhiệt độ cao, thì kim cương nhân tạo sẽ là vật liệu không thể thiếu.
V. Kết luận
Cho đến nay, ngoài những dạng tồn tại trong tự nhiên người ta đã biết và sử dụng khoảng gần 10 triệu hợp chất có chứa cacbon, có thể nói cacbon là một nguyên tố không thể thiếu trong lịch sử phát triển của nhân loại, việc nghiên cứu và phát triển nó luôn là vấn đề cần thiết trong mọi thời đại.