Trong suốt lịch sử lâu dài của nhân loại, vàng đã được nhiều nền văn minh theo đuổi vì giá trị của nó. Với sự phát triển của thời đại và sự tiến bộ của công nghệ, nhưng đến hiện tại vẫn chưa có công thức, quy trình tổng hợp vàng thực sự khả thi và kinh tế.
Khó khăn của quá trình tổng hợp vàng nhân tạo
Việc tổng hợp vàng nhân tạo là một nhiệm vụ rất khó khăn vì cấu trúc nguyên tử của vàng rất ổn định và có cấu trúc điện tử năng lượng cao. Điều này làm cho sự sắp xếp electron của vàng rất nhỏ gọn, gây khó khăn cho việc thay đổi cấu trúc nguyên tử của vàng thông qua các phản ứng hóa học.
Để tổng hợp vàng nhân tạo, các nhà khoa học sử dụng điều kiện nhiệt độ và áp suất cao. Nhiệt độ cao cung cấp đủ năng lượng nhiệt để phá vỡ liên kết giữa các nguyên tử vàng, khiến các nguyên tử sắp xếp lại. Áp suất cao có thể cung cấp đủ áp suất để các nguyên tử kết hợp lại thành cấu trúc tinh thể của vàng trong điều kiện nhiệt độ cao.
Để đạt được sự tổng hợp vàng nhân tạo, các nhà khoa học hiện chủ yếu sử dụng hai phương pháp: biến đổi hạt nhân và phê duyệt nguyên tử. Biến đổi hạt nhân là quá trình biến đổi hạt nhân nguyên tử của một nguyên tố thành vàng, thường đòi hỏi điều kiện nhiệt độ và áp suất cao hơn. Phê duyệt nguyên tử là đạt được sự tổng hợp vàng bằng cách tiêm các nguyên tố khác vào giữa các nguyên tử để thay đổi cấu trúc điện tử của vàng.
Việc tổng hợp vàng đòi hỏi điều kiện phản ứng năng lượng cao, khiến các phương pháp tổng hợp truyền thống trở nên quá tốn kém. Các phương pháp tổng hợp truyền thống chủ yếu bao gồm các phương pháp nhiệt độ cao, áp suất cao và phương pháp dung môi, tiêu tốn nhiều năng lượng và cũng tạo ra các chất gây ô nhiễm môi trường.
Tuy nhiên, điều đáng nói là vàng tổng hợp không phải là giải pháp cho sự giàu có và thịnh vượng. Một mặt, quy trình tổng hợp vàng nhân tạo rất phức tạp và đòi hỏi các phản ứng nhiều giai đoạn trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, khiến quá trình sản xuất tốn nhiều thời gian và năng lượng. Mặt khác, có sự khác biệt về chất lượng giữa vàng tổng hợp và vàng tự nhiên, độ tinh khiết của nó không tốt bằng vàng tự nhiên nên không thể bán ra thị trường với mức giá sánh ngang với vàng tự nhiên.
Mặc dù công nghệ tổng hợp nhân tạo vàng vẫn còn gặp nhiều thách thức nhưng các nhà khoa học vẫn tràn đầy tự tin khi khám phá lĩnh vực này. Khi công nghệ tiếp tục phát triển, chúng ta có thể thấy nhiều phương pháp tiên tiến hơn được đề xuất và có lẽ một ngày nào đó việc tổng hợp vàng sẽ trở thành một lựa chọn khả thi.
Trong những năm gần đây, một số phương pháp tổng hợp mới đã được đề xuất nhằm nỗ lực giảm năng lượng cần thiết để tổng hợp vàng. Ví dụ, phương pháp nhiệt độ thấp-áp suất thấp được sử dụng để tổng hợp vàng ở nhiệt độ và áp suất tương đối thấp bằng cách kiểm soát các điều kiện tổng hợp. Cách tiếp cận này có thể làm giảm tiêu thụ năng lượng và giảm bớt các vấn đề ô nhiễm môi trường.
Không có khả năng nắm bắt hoàn toàn việc chuẩn bị đầy đủ các pha của kim loại
Một trong những khó khăn trong việc điều chế pha kim loại nằm ở việc lựa chọn và chuẩn bị nguyên liệu. Vàng tồn tại trong tự nhiên dưới dạng quặng vàng, trộn lẫn với nhiều kim loại và tạp chất khác. Để thực hiện quá trình tổng hợp nhân tạo vàng, tạp chất và các kim loại khác trong nguyên liệu thô trước tiên phải được loại bỏ thông qua các bước như làm giàu và tinh chế quặng để thu được vàng có độ tinh khiết cao.
Việc chuẩn bị pha của kim loại cũng bị hạn chế bởi các điều kiện chuẩn bị. Nhiệt độ, áp suất, thời gian phản ứng và không khí môi trường đều đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuẩn bị pha của kim loại. Điểm nóng chảy cao và khả năng phản ứng thấp của vàng khiến điều kiện điều chế nó trở nên khó khăn và phức tạp hơn. Tuy nhiên hạn chế về sự hiểu biết về quá trình chuẩn bị pha kim loại vẫn còn chưa đầy đủ và không thể xác định được các điều kiện chuẩn bị phù hợp nhất, điều này cũng làm tăng độ khó của quá trình tổng hợp vàng nhân tạo.
Quá trình tổng hợp vàng cần có chất xúc tác để thúc đẩy phản ứng. Tuy nhiên, chất xúc tác hiệu quả và kinh tế cho quá trình tổng hợp vàng nhân tạo vẫn chưa được tìm ra.
Việc chuẩn bị pha kim loại đòi hỏi phải kiểm soát chính xác nhiệt độ, áp suất và các điều kiện chuẩn bị khác, đồng thời yêu cầu về thiết bị và công nghệ trong phòng thí nghiệm và sản xuất công nghiệp là rất cao. Hiện nay, mặc dù sự phát triển của khoa học và công nghệ đã mang đến nhiều kỹ thuật và dụng cụ thí nghiệm mới nhưng việc chuẩn bị kim loại toàn pha vẫn còn nhiều thách thức.
Mặc dù con người vẫn chưa thể nắm bắt đầy đủ các giai đoạn chuẩn bị đầy đủ của vàng nhưng các nhà khoa học đã nỗ lực vượt qua khó khăn này và hiện thực hóa quá trình tổng hợp vàng nhân tạo. Điều này không chỉ góp phần phát triển ngành luyện kim mà còn có thể mang lại những thay đổi mang tính cách mạng trong lĩnh vực ứng dụng vàng.
Những thách thức trong tổng hợp vàng
Vàng tổng hợp luôn là một trong những niềm mơ ước của cộng đồng hóa học nhưng lại đứng trước nhiều thách thức. Đầu tiên, quá trình tổng hợp vàng bao gồm các con đường phản ứng hóa học phức tạp. Quá trình tổng hợp hóa học của vàng đòi hỏi phải khử các ion kim loại khác thành vàng kim loại và hình thành các tinh thể vàng. Quá trình này bao gồm nhiều bước phản ứng và hình thành các sản phẩm trung gian.
Tổng hợp vàng nhân tạo bao gồm nhiều chi tiết phản ứng, chẳng hạn như thời gian phản ứng, nhiệt độ, không khí, v.v. Do đó, tối ưu hóa các điều kiện phản ứng này là một vấn đề khó khăn khác để đạt được hiệu quả tổng hợp vàng về mặt chi phí.
Một trong những bước phản ứng quan trọng là phản ứng của các ion kim loại với chất khử để tạo thành các hạt kim loại. Tuy nhiên, bản thân phản ứng này rất phức tạp và các nhà khoa học phải đối mặt với thách thức của nhiều phản ứng phi tuyến và phản ứng cạnh tranh. Do đó, việc tìm ra con đường phản ứng hiệu quả và có thể kiểm soát được là một trong những vấn đề đầu tiên trong việc hiện thực hóa quá trình tổng hợp vàng nhân tạo.
Sự phát triển của tinh thể vàng cũng là một nhiệm vụ rất khó khăn. Tinh thể vàng được cấu tạo từ nhiều hạt vàng nhỏ, chúng dần dần tổng hợp và tạo thành tinh thể thông qua một cơ chế tăng trưởng nhất định. Tuy nhiên, trong quá trình tổng hợp thực tế, thường khó kiểm soát kích thước, hình dạng và hướng của tinh thể vàng. Điều này là do sự phát triển của tinh thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm điều kiện phản ứng, nồng độ dung dịch, nhiệt độ, tốc độ khuấy, v.v.. Các nhà khoa học cần điều chỉnh cẩn thận các điều kiện này để thu được tinh thể vàng lý tưởng. Tuy nhiên, sự phức tạp và khó đoán của quá trình này khiến việc kiểm soát chính xác các tinh thể vàng trở nên khó khăn.
Để giải quyết những thách thức này, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu sâu rộng. Họ cố gắng đạt được sự tổng hợp vàng hiệu quả bằng cách điều chỉnh các sản phẩm trung gian và chất xúc tác trong quá trình phản ứng. Đồng thời, họ cũng đề xuất một loạt điều kiện phản ứng và chiến lược tổng hợp mới để cải thiện khả năng kiểm soát sự phát triển của tinh thể. Ví dụ, các nhà khoa học phát hiện ra rằng việc thay đổi nhiệt độ phản ứng và tốc độ khuấy có thể có tác động đáng kể đến hình thái của tinh thể vàng. Ngoài ra, họ còn sử dụng chất hoạt động bề mặt để kiểm soát kích thước và hình dạng của các hạt vàng.