Phát hiện mới về hợp chất vàng và hydro dưới điều kiện khắc nghiệt

Trong quá khứ, vàng được coi là một trong những chất ổn định nhất trên Trái Đất. Tuy nhiên, một nhóm nghiên cứu quốc tế hàng đầu đã bất ngờ quan sát thấy vàng kết hợp với hydro tạo ra một tính chất mới trong một thí nghiệm đặc biệt khắc nghiệt. Phát hiện này không chỉ mang lại góc nhìn mới cho việc hiểu các quá trình tổng hợp hạt nhân trong môi trường cực đoan như bên trong hành tinh và ngôi sao, mà còn mở đường cho việc khám phá các vật liệu mới.

Vàng là một trong những kim loại ít hoạt tính nhất, và sự tương tác của nó với hydro chỉ gần đây mới được nghiên cứu sâu rộng. Mặc dù những tiến bộ mới nhất trong hóa học kim loại hữu cơ đã thành công trong việc tổng hợp các hợp chất hydro, nhưng phần lớn chỉ thực hiện được ở pha khí hoặc ở nhiệt độ heli lỏng (-269°C). Do vàng và hydro không thể hình thành hợp chất vàng hydro rắn ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thông thường, giới khoa học biết rất ít về đặc tính của chúng.

Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Gia tốc Quốc gia SLAC thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOC), trong khi nghiên cứu quá trình hình thành kim cương dưới áp suất và nhiệt độ cực cao, đã vô tình tổng hợp được một loại “vàng hydro” rắn không tồn tại trong tự nhiên, một hợp chất hoàn toàn được tạo thành từ các nguyên tử vàng và hydro.

Phát hiện này thách thức nhận thức truyền thống rằng vàng là một trong những kim loại trơ nhất được biết đến hiện nay, đồng thời mở ra con đường mới để nghiên cứu “hydro đặc”. Điều này giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cấu trúc bên trong của hành tinh và quá trình tổng hợp hạt nhân (nuclear fusion), đồng thời mở đường cho việc phát triển các vật liệu mới. Kết quả nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Angewandte Chemie International Edition vào ngày 4/8.

Trong quá trình thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu hydrocarbon (hợp chất gồm carbon và hydro), tìm hiểu xem cần bao lâu để hình thành kim cương dưới áp suất và nhiệt độ cực cao. Họ đã nén mẫu hydrocarbon đến áp suất trên 40 GPa (cao hơn áp suất bên trong lớp phủ Trái Đất) và sử dụng các xung tia X để liên tục tác động vào mẫu, khiến mẫu đạt nhiệt độ vượt quá 1700°C (3500°F).

Nhóm nghiên cứu phân tích các mô hình tán xạ tia X để giải mã sự thay đổi cấu trúc bên trong mẫu. Kết quả như dự đoán của nhóm cho thấy mô hình tán xạ cho thấy các nguyên tử cacbon đã hình thành cấu trúc kim cương. Tuy nhiên, điều khiến nhóm nghiên cứu ngạc nhiên là các nguyên tử hydro đã phản ứng với lá vàng dùng làm vật chứa, hình thành một hợp chất vàng hydro rắn.

Hydro là nguyên tố nhẹ nhất, khả năng tán xạ tia X của nó yếu, do đó rất khó nghiên cứu bằng tia X. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng, trong điều kiện khắc nghiệt này, hydro chuyển sang trạng thái “siêu ion” đặc, khiến cấu trúc tinh thể vàng vốn ổn định chuyển thành cấu trúc xếp chặt lục giác (hcp), cho phép các nguyên tử hydro di chuyển tự do trong đó, tạo thành một hợp chất hydro-vàng.

Ngoài ra, các mô phỏng trên máy tính cũng cho thấy rằng ở áp suất cao hơn, sẽ có nhiều nguyên tử hydro xâm nhập vào mạng tinh thể của vàng hơn. Tuy nhiên, họ phát hiện rằng dạng vàng hydro hóa này chỉ có thể hình thành các hợp chất hydro hóa ổn định ở điều kiện áp suất và nhiệt độ cực cao. Nếu nhiệt độ giảm xuống, vàng và hydro sẽ tách ra, và mạng tinh thể của vàng sẽ trở lại cấu trúc lập phương tâm diện (fcc) ban đầu.

Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng sự xuất hiện của vàng hydro cung cấp một phương pháp độc đáo để nghiên cứu hydro nguyên tử đặc, bao gồm việc hỗ trợ hiểu sâu hơn về các hành tinh được cấu thành từ hydro đặc trong vũ trụ, hoặc cung cấp những hiểu biết mới về quá trình tổng hợp hạt nhân bên trong các ngôi sao như Mặt Trời.

Họ cũng cho biết nghiên cứu này không chỉ mở đường cho việc nghiên cứu hydro đặc mà còn tạo cơ hội để khám phá các hợp chất kỳ lạ, chưa từng biết đến trước đây. Đồng thời, nó mở ra một lĩnh vực mới trong hóa học áp suất cao và truyền cảm hứng cho các nhà khoa học phát triển công nghệ tổng hợp hạt nhân khả thi trên Trái Đất.

Nhà nghiên cứu Mungo Frost tại SLAC, người dẫn đầu nghiên cứu, nói với phòng tin tức của SLAC: “Chúng tôi có thể sử dụng lưới tinh thể vàng để quan sát hành vi của hydro. Kết quả này rất bất ngờ, vì vàng thường có tính chất hóa học rất trầm và không hoạt động, đó là lý do chúng tôi sử dụng nó làm chất hấp thụ tia X trong các thí nghiệm này.”

Ông tiếp tục: “Tuy nhiên, kết quả cho thấy trong điều kiện khắc nghiệt, khi tác động của nhiệt độ và áp suất bắt đầu cạnh tranh với các phản ứng hóa học truyền thống, có thể tạo ra nhiều phản ứng hóa học mới, dẫn đến sự hình thành của những hợp chất kỳ lạ này.”

“Điều quan trọng là chúng tôi có thể thông qua các công cụ thí nghiệm và mô phỏng để mô phỏng trạng thái của các vật liệu đặc biệt trong điều kiện khắc nghiệt, và liệu chúng có các đặc tính đặc biệt khác hay không,” ông Siegfried Glenzer, Giám đốc Bộ phận Mật độ Năng lượng Cao của SLAC, Giáo sư Khoa học Photon và nhà nghiên cứu chính của nghiên cứu này, cho biết. Khung mô phỏng này cũng có thể được mở rộng ra ngoài hợp chất vàng hydro.

Nghiên cứu này được thực hiện bởi một đội ngũ quốc tế lớn, bao gồm các nhà nghiên cứu từ Đại học Rostock (Đức), Trung tâm Gia tốc Đồng bộ Điện tử Đức (DESY), Công ty Thiết bị Laser Điện tử Tự do X-quang Châu Âu (European XFEL), Trung tâm Helmholtz Dresden-Rossendorf (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Đức), Đại học Frankfurt (Đức), Đại học Bayreuth (Đức).

Ngoài ra, còn có sự tham gia của các nhà nghiên cứu từ Đại học Edinburgh (Anh), Viện Khoa học Carnegie (Mỹ), Đại học Stanford (Mỹ) và Viện Khoa học Vật liệu và Năng lượng Stanford (SIMES). Một phần công trình được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE).