Các nhà khoa học vừa tạo ra một hợp chất helium ổn định

Theo như những gì mà chúng ta đã học (nhưng có thể vẫn nhớ hoặc đã quên), thì khí helium là một thứ khí hơi kì lạ. Thứ khí hiếm này là nguyên tố ít phản ứng nhất trong bảng tuần hoàn hóa học.

Khi các nguyên tố khí hiếm khác có dấu hiệu tạo ra hợp chất khi được đặt dưới áp suất cực lớn, helium vẫn không biến chuyển gì. Nhưng mọi chuyện đã khác rồi.

Các nhà khoa học vừa mới đăng một bản báo cáo nói rằng họ đã tạo ra được một hợp chất helium-sodium ổn định và chính thứ hợp chất này đang thử thách những hiểu biết của chúng ta về hóa học hiện đại.

"Tính chất hóa học thay đổi khi yếu tố áp suất cao được thêm vào, điều này có thể được áp dụng ngay trên Trái Đất chúng ta cũng như những hành tinh khác như Sao Thổ", Ivan Popov từ đội ngũ nghiên cứu nói. "Nhưng hợp chất mới này là thứ sẽ thay đổi sách giáo khoa của ta".

Helium là một loại khí kì lạ.

Helium, thứ nguyên tố nhiều thứ hai trong vũ trụ chúng ta, thuộc nhóm 6 nguyên tố khí hiếm có tính chất trơ và chính tính chất ấy đa ngăn cản khả năng tạo thành hợp chất khi kết hợp với các nguyên tố khác. Một số nguyên tố thuộc nhóm 6 này đã cho thấy dấu hiệu phản ứng khi đặt dưới điều kiện áp suất cao: nhóm 6 có thể chia ra thành 2 nhóm nhỏ hơn, với krypton – xenon – radon được coi là có phản ứng ở một mức nào đó, còn argon – neon – helium thuộc nhóm phản ứng cực kì kém.

Trong quá khứ, các nhà khoa học đã tìm ra được một số cách để kết hợp helium với một số nguyên tố khác nhưng kết quả thí nghiệm đều rất mơ hồ.

Một trong những ví dụ điển hình nhất về việc helium tương tác với các nguyên tố khác, đó là lực Van der Waals – một loại lực phân tử sinh ra bởi sự phân cực của các phân tử (ví dụ về lực Van der Waals có thể thấy trên khả năng kết dính của băng dính).

Các nhà nghiên cứu vẫn biết rằng có một lực Van der Waals rất yếu tồn tại giữa nguyên tố helium và những nguyên tử khác. Ở nhiệt độ cực thấp, helium có thể tạo ra phân tử Van der Waals, một nhóm nguyên tử yếu và không tồn tại được lâu.

Là một trong những thứ nguyên tố nhiều nhất trong vũ trụ, là thành tố tạo nên sao, các hành tinh khí gas khổng lồ, helium có thể đóng một vai trò rất khác trên vũ trụ và ngay trên Trái Đất chúng ta. Các nhà khoa học vừa mới tìm ra bằng chứng đầu tiên về hành vi kì lạ ấy.

Diamond anvil cell.

"Áp suất cực lớn có thể được tìm thấy trong lõi Trái Đất hay ở các hành tinh khổng lồ gần chúng ta có thể thay đổi tính chất hóa học của helium", nhà nghiên cứu Alex Boldyrey cũng thuộc đội ngũ trên nói.

Họ đã sử dụng một hệ thống máy tính "dự đoán cấu trúc tinh thể" để tìm ra được rằng khi được đặt dưới áp suất cực lớn, một hợp chất helium-sodium ổn định sẽ được hình thành. Sau khi dự đoán thành công, họ đã tạo ra được một hợp chất chưa từng có, một hợp chất thực sự đã tồn tại là Na₂He. Họ đã làm được điều không tưởng này trên Diamond anvil cell - một thiết bị tạo áp suất cao cho những thử nghiệm đặc biệt, cho phép đưa nguyên tử helium và sodium dưới áp suất cực lớn, khoảng hơn 1,1 triệu lần lớn hơn áp suất khí quyển Trái Đất.

"Những nghiên cứu này làm chúng tôi cực kì ngạc nhiên, theo lời Boldyrey kể lại, thì ông và đội ngũ của mình đã phải mất hai năm thuyết phục những nhà khảo sát hóa học đăng tải nghiên cứu của họ", Mary-Ann Muffoletto tại Phys.org nói.

Hợp chất này được tạo ra mà không cần một liên hết hóa học nào để giữ chúng lại với nhau.

Dự trên những kết quả nghiên cứu này, đội ngũ các nhà khoa học dự đoán rằng sodium và helium sẽ dễ dàng tạo ra hợp chất Na2He ổn định dưới một áp suất lớn hơn 10 triệu lần áp suất mà họ đã sử dụng.

Kì lạ hơn, đó là hợp chất này được tạo ra mà không cần một liên hết hóa học nào để giữ chúng lại với nhau.

"Hợp chất mà chúng tôi tạo ra được rất kì lạ: nguyên tử helium không tạo ra một liên kết hóa học nào, nhưng sự hiện diện của chúng cho thấy sự thay đổi giữa những tương tác của nguyên tử sodium, bắt các electron phải nằm gói gọn trong những khoảng trống của cấu trúc hợp chất, và chúng cũng khiến hợp chất này trở nên cách điện", giáo sư Xiao Dong từ đội ngũ nghiên cứu nói.

Đây là cấu trúc tinh thể cả Na₂He – một cáu trúc rắn của nguyên tử sodium (màu tím) và helium (màu xanh) cugnf với các electron (màu đỏ) nằm ở giữa các khoảng trống.

"Nó không phải là một liên kết hóa học thực sự, nhưng helium đã ổn định hóa được cấu trúc tinh thể kia, nếu như lấy đi những nguyên tử helium ấy, cấu trúc sẽ không còn ổn định nữa", giáo sư Papov nói.

Đây là một hình ảnh khác về hợp chất trên, với sodium màu tím, helium màu trắng ở bên phải; và khối sodium – helium màu xám và electron có màu đỏ:

Sodium màu tím, helium màu trắng ở bên phải; và khối sodium – helium màu xám và electron có màu đỏ.

Gần đây, các nhà hóa học có thêm được nhiều khám phá mang tính chất "phá bỏ giới hạn", vì dụ như hydro kim loại đươc tổng hợp cách đây không lâu. Nhưng thường thì những khám phá như vậy nhận được rất nhiều hoài khi, khi mà chưa có thêm những thử nghiệm tương tự được tạo ra bởi những nhà khoa học khác.

Với nghiên cứu này, kết quả có vẻ khả quan hơn bao giờ hết. Chúng ta có thể sẽ được thấy thêm nhiều thử nghiệm thú vị tiếp nối nữa.

"Thứ khoa học này có chiều sâu hơn nhiều", nhà vật lý học Henry Rzepa từ Đại học Hoàng gia London, người không thuộc đội ngũ nghiên cứu phát biểu, khi mà ông so sánh hợp chất mới này với khám phá hydro kim loại cách đây không lâu. "Hợp chất helium này đúng là một bước đột phá lớn".

Vẫn cần thêm những thử nghiệm khác nữa, nhưng năm 2017 này có vẻ sẽ chứng kiến thêm nhiều đột phá khác đây. Chúng ta hãy cùng chờ xem!