Các nhà khoa học tại Đại học California San Diego đã phát hiện ra những điểm yếu cấu trúc trong các viên nang kim cương, vốn là thành phần thiết yếu cho các thí nghiệm năng lượng nhiệt hạch tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF). Những phát hiện này mang đến những hiểu biết sâu sắc quan trọng, đồng thời đặt ra những thách thức mới trong việc khai thác nguồn năng lượng sạch đầy hứa hẹn này.
Kim cương, với độ bền và khả năng chịu áp suất cao, được sử dụng để chứa nhiên liệu trong các phản ứng nhiệt hạch năng lượng cao. Tuy nhiên, dưới các điều kiện áp suất và nhiệt độ cực đoan được tạo ra trong các thí nghiệm này, vật liệu kim cương có thể phát triển các khuyết tật. Nghiên cứu do Boya Li và Marc Meyers dẫn đầu đã làm sáng tỏ hiện tượng "hóa vô định hình" (amorphization) của kim cương, một quá trình mà cấu trúc tinh thể của nó bị phá vỡ, dẫn đến sự xuất hiện của các khuyết tật từ những biến dạng nhỏ đến sự mất trật tự hoàn toàn. Các thí nghiệm mô phỏng đã cho thấy rằng ở áp suất 69 gigapascal (GPa), các viên nang kim cương chỉ trải qua biến dạng đàn hồi. Tuy nhiên, khi áp suất tăng lên 115 GPa, các khuyết tật và điểm yếu bắt đầu hình thành. Những bất thường này có thể làm gián đoạn quá trình nén đối xứng, một yếu tố then chốt để đạt được hiệu suất nhiệt hạch tối ưu. Sự mất đối xứng trong quá trình nén có thể làm giảm sản lượng năng lượng hoặc thậm chí ngăn cản quá trình đánh lửa, ảnh hưởng trực tiếp đến mục tiêu tạo ra năng lượng ròng.
Việc hiểu rõ cơ chế hình thành các khuyết tật này là vô cùng quan trọng. Các nhà khoa học đang tìm cách cải thiện thiết kế và mô hình hóa các viên nang để đạt được sự nén đồng đều hơn, từ đó tối đa hóa sản lượng năng lượng. Các viên nang kim cương tổng hợp, thường được sản xuất bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học plasma (PACVD), đã được sử dụng tại NIF từ giữa những năm 2010 để thay thế các vật liệu khác như polymer (CH) nhờ hiệu suất nén và vận tốc nổ tốt hơn. Tuy nhiên, những nghiên cứu trước đây cũng chỉ ra rằng các khuyết tật bề mặt như lỗ nhỏ, khoảng trống dưới bề mặt và tạp chất có thể gây ra sự trộn lẫn vật liệu, cản trở việc nén nhiên liệu và làm giảm tốc độ phản ứng nhiệt hạch.
Những thách thức về khoa học vật liệu này không làm giảm đi tiềm năng của năng lượng nhiệt hạch. Thay vào đó, chúng mở ra cơ hội để các nhà nghiên cứu đào sâu hơn vào hành vi của vật liệu dưới các điều kiện khắc nghiệt. Việc vượt qua những giới hạn này là một phần của quá trình tiến bộ không ngừng, hướng tới việc hiện thực hóa một nguồn năng lượng sạch, gần như vô hạn, có khả năng định hình lại tương lai năng lượng của nhân loại. Sự kiên trì và đổi mới trong nghiên cứu vật liệu sẽ là chìa khóa để giải quyết những vấn đề này và tiến gần hơn đến mục tiêu năng lượng nhiệt hạch bền vững.