Các nhà nghiên cứu đã phát hiện một phân tử kỳ lạ cần thiết có khả năng phá vỡ các chất ô nhiễm trong bầu khí quyển, đặc biệt là các hợp chất tạo mưa axit. Tính chất hóa học kỳ lạ của phân tử này là đặc điểm thu hút sự chú ý của các nhà khoa học.
Marsha Lester, giáo sư Edmund J. Kahn thuộc đại học Pennsylvania, cùng với Joseph Francisco, giáo sư hóa học thuộc đại học Purdue, đã phát hiện ra phân tử đồng thời nguyên nhân làm đau đầu các nhà khoa học trong hơn 40 năm qua.
Bài báo mô tả phân tử được công bố tuần này trên số đặc biệt của tờ Proceedings of the National Academy of Science.
Gần giống như cơ thể người chuyển hóa thức ăn, khí quyển của Trái Đất có khả năng “đốt cháy” hoặc ôxy hóa chất ô nhiễm, đặc biệt là nitơ oxit tỏa ra từ các nguồn như nhà máy hoặc xe cộ. Những gì không bị ôxy hóa trong khí quyển rơi trở lại mặt đất dưới dạng mưa axit.
Francisco cho biết: “Việc làm thế nào khí quyển loại bỏ axit nitric vẫn chưa rõ ràng. Phát hiện này đem lại hiểu biết quan trọng về quá trình đó. Nếu không có khám phá này, chúng ta không thể hiểu được điều kiện mà axit nitric bị loại ra khỏi bầu khí quyển”.
Francisco cho biết phát hiện sẽ cho phép các nhà khoa học xây dựng mô hình về phản ứng của các chất ô nhiễm trong bầu khí quyển cũng như dự đoán những kết quả tiềm năng.
Các nhà khoa học thuộc đại học Purdue và Pennsylvania đã phát hiện phân tử cần thiết có khả năng phá vỡ các chất ô nhiễm trong bầu khí quyển. Đây là một phân tử không bình thường với hai liên kết hyđrô và chưa từng được phát hiện trước đây. Bức ảnh trên chỉ rõ cấu trúc của phân tử, với hình cầu màu xanh là nguyên tử nitơ, màu đỏ là nguyên tử hyđrô, màu trắng là nguyên tử oxy, và phần màu vàng cho thấy vị trí của liên kết hyđrô kép. (Ảnh: Joseph Francisco/ Purdue News Service) |
Lester cho biết các nhà hóa học khí quyển đã phân tích phân tử trong suốt 40 năm, bản thân bà cùng Francisco đã theo đuổi nó trong vài năm trở lại đây.
Bà nói: “Chúng tôi đã dự đoán về thành phần khí quyển kỳ lạ này trong nhiều năm, việc tận mắt chứng kiến và tìm hiểu các thuộc tính của nó là một điều hết sức thú vị”.
Điều khiến nó trở nên kỳ lạ là hai liên kết hyđrô của nó, tương tự với liên kết được phát hiện trong nước.
Mặc dù nước là chất phổ biến nhất trên hành tinh này, nhưng nó có những thuộc tính kỳ lạ. Ví dụ, thể rắn của nước – băng – nhẹ hơn thể lỏng và nổi được. Nước cũng sôi ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với dự đoán từ cấu trúc hóa học của nó.
Nguyên nhân của các thuộc tính kỳ lạ này là các liên kết hyđrô yếu gắn kết các phân tử nước lại với nhau.
Phân tử khí quyển mới có hai liên kết hyđrô cho phép nó tạo thành cấu trúc vòng 6 mặt. Liên kết hyđrô thường yếu hơn liên kết nguyên tử thông thường, được gọi là liên kết đồng hóa trị. Thực tế, liên kết đồng hóa trị mạnh gấp 20 lần liên kết hyđrô. Nhưng trong trường hợp này, hai liên kết hyđrô đủ mạnh để ảnh hưởng đến tính chất hóa học của khí quyển.
Lester cho biết phân tử mới có đặc tính kỳ lạ riêng.
Bà giải thích: “Phản ứng có sự tham gia của phân tử này diễn ra nhanh hơn ở nhiệt độ thấp hơn, nhưng ngược lại với hầu hết các phản ứng hóa học. Tỷ lệ của phản ứng cũng thay đổi tùy theo áp suất khí quyển, trong khi hầu hết các phản ứng không phụ thuộc vào áp suất bên ngoài. Nó cũng đồng thời thể hiện thuộc tính lượng tử kỳ lạ”.
Lester khẳng định thuộc tính bất thường nói trên chính là rào cản đối với các nhà khoa học trong việc xây dựng mô hình phản ứng.
“Đây không phải cách chúng ta giảng giải về hóa học cho học sinh trung học”, bà cho biết.
Francisco tiết lộ rằng khám phá sẽ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác ngoài hóa học khí quyển.
Ông thêm vào: “Đây là tình huống mà chúng ta nghiên cứu một vấn đề hoàn toàn về khía cạnh môi trường, tuy nhiên, vì phát hiện này hết sức cơ bản, nó có thể có ứng dụng rộng hơn đối với hệ thống sinh học phụ thuộc vào liên kết hyđrô”.
Bước đột phá được thực hiện bằng kỹ thuật laze tại phòng thí nghiệm của đại học Pennsylvania và siêu máy tính tại Purdue. Các tính toán được thực hiên trên siêu máy tính SGI Altix, do Phòng công nghệ thông tin tại Purdue vận hành.
Francisco cho biết: “Điểm mấu chốt là biết nơi tìm kiếm và làm cách nào để nhận biết sự tồn tại của các hóa chất mới. Với công nghệ máy tính tại Purdue, chúng tôi có thể nhận biết các quá trình hóa học với mức độ không chắc chắn nhất định. Chúng tôi không thể thực hiện nghiên cứu này nếu không có sức mạnh siêu máy tính sẵn có”.