VINACHEM

Với công nghệ hóa học siêu lạnh, năm 2019 lần đầu tiên các nhà nghiên cứu đã có thể quan sát chính xác những gì diễn ra trong một phản ứng hóa học.

Phản ứng hóa học lạnh nhất mà chúng ta được biết cho đến nay đã diễn ra trong một hệ thống mà thoạt nhìn giống như sự đan xen hỗn loạn của các tia laze. Nhưng vẻ bề ngoài đó đã đánh lừa: Sâu bên trong sự hỗn loạn được tổ chức một cách tỉ mỉ, ở nhiệt độ lạnh hơn hàng triệu lần nhiệt độ trong không gian vũ trụ, các nhà khoa học tại Đại học Harvard đã đạt được một kỳ tích của sự chính xác. Bằng cách cho hai phân tử siêu lạnh gặp nhau và phản ứng với nhau, họ đã phá vỡ và tạo thành những liên kết lạnh nhất trong lịch sử liên kết phân tử.

5 năm trước đây, nhà khoa học Kang-Kuen Ni và đồng nghiệp tại Đại học Harvard quyết định chế tạo một thiết bị mới có thể hỗ trợ thực hiện các phản ứng hóa học ở nhiệt độ thấp nhất với trình độ công nghệ hiện nay. Khi đó, họ không thể biết chắc chắn thiết bị của mình có hoạt động hay không. Nay họ không chỉ thực hiện được phản ứng lạnh nhất mà còn phát hiện thấy thiết bị của mình cho phép làm những việc trước đây họ đã không dự báo. ở nhiệt độ cực thấp như vậy - 500 nanokelvin, tức là chỉ vài phần triệu độ trên độ 0 tuyệt đối - các phân tử đã chuyển động chậm lại như bị đóng băng. Nhóm nghiên cứu đã có thể quan sát những gì mà trước đây chưa ai từng thấy: đó là chuyển động của hai phân tử gặp nhau để tạo thành hai phân tử mới. Về cơ bản, họ đã lưu giữ hình ảnh của phản ứng hóa học ở giai đoạn quan trọng nhất và khó nắm bắt nhất.

Các phản ứng hóa học là cơ sở của tất cả các hoạt động trong vũ trụ: hô hấp, nấu ăn, tiêu hóa, sản sinh năng lượng, sản xuất dược phẩm và các sản phẩm nội trợ như xà phòng. Vì vậy, việc hiểu phản ứng hóa học ở bậc cơ bản nhất có thể giúp các nhà nghiên cứu thiết kế những hợp chất mà trước đó thế giới chưa từng thấy. Với số lượng các kết hợp gần như vô hạn, những phân tử mới này có thể có vô số ứng dụng, từ sản xuất năng lượng hiệu quả hơn cho đến các loại nguyên liệu tường nhà chống nấm mốc, thậm chí các thành phần cấu tạo tốt hơn cho máy tính lượng tử.

Trong công trình nghiên cứu trước, các nhà nghiên cứu tại Đại học Harvard đã sử dụng nhiệt độ thấp hơn và thấp hơn nữa để tạo ra một ảo thuật hóa học: điều chế các phân tử từ những nguyên tử mà bình thường không bao giờ phản ứng với nhau. Khi được làm lạnh đến nhiệt độ thấp như vậy, các nguyên tử và phân tử chuyển động ở trạng thái năng lượng thấp nhất có thể của chúng. Khi đó, các nhà khoa học có thể điều khiển các tương tác phân tử với độ chính xác cao nhất. Mặc dù vậy, ngay cả khi đó họ cũng chỉ có thể nhìn thấy sự mở đầu của các phản ứng: Hai phân tử tiếp xúc với nhau, nhưng sau đó thì sao? Điều gì xảy ra ở giai đoạn giữa phản ứng và khi kết thúc phản ứng, đó là một lỗ hổng đen mà chỉ có lý thuyết mới có thể tìm được cách giải thích.

Các phản ứng hóa học diễn ra chỉ trong vài phần triệu của một phần tỉ giây, còn được gọi là femto giây. Ngay cả những công nghệ tiên tiến nhất ngày nay cũng không thể lưu giữ những gì tồn tại trong thời gian ngắn như vậy, tuy một số công nghệ đang tiếp cận khả năng đó. Trong 20 năm qua, các nhà khoa học đã sử dụng laze siêu nhanh, tương tự ống kính hoạt động nhanh, để chụp những hình ảnh diễn ra rất nhanh của các phản ứng. Nhưng họ đã không thể chụp lại toàn bộ bức tranh. Trong phần lớn các lần, họ chỉ nhìn thấy các chất phản ứng biến mất và sản phẩm xuất hiện trong thời gian có thể đo được. Chưa có ai đo được trực tiếp những gì thực tế đã diễn ra trong những phản ứng hóa học đó.

Nhưng lần này đã khác: Nhiệt độ siêu lạnh trong thiết bị của các nhà nghiên cứu Harvard đã buộc các phản ứng diễn ra ở tốc độ tương đối chậm. Do các phân tử ở trạng thái lạnh như vậy nên đã xảy ra hiệu ứng thắt cổ chai. Khi các nhà nghiên cứu cho hai phân tử kali-rubiđi KRb phản ứng với nhau (loại phân tử này được lựa chọn do khả năng dễ chịu tác động của chúng), nhiệt độ siêu lạnh đã buộc các phân tử phải lưu lại vài micro giây trong giai đoạn trung gian. Đó là thời gian rất ngắn, tuy nhiên dài hơn hàng triệu lần bình thường, đủ dài để các nhà nghiên cứu có thể khảo sát giai đoạn các liên kết bị phá vỡ và tạo thành, về cơ bản đó là khi một phân tử chuyển hóa thành phân tử khác.

Với những hình ảnh cụ thể như vậy, các nhà nghiên cứu có thể kiểm tra những lý thuyết dự báo điều gì sẽ xảy ra trong phản ứng. Sau đó, họ có thể tạo ra những lý thuyết mới, sử dụng dữ liệu thực tế để dự báo những gì sẽ diễn ra trong các phản ứng hóa học khác, kể cả những phản ứng trong vương quốc lượng tử đầy bí ẩn.

Với khoang thử nghiệm siêu lạnh, các nhà khoa học cũng có thể điều khiển các chất phản ứng, kích hoạt chúng trước phản ứng để xem năng lượng cao hơn của chúng sẽ mang lại kết quả gì. Họ thậm chí có thể tác động đến phản ứng đang diễn ra, di chuyển các phân tử.

LH

Theo ScienceDaily 11/2019