Ảnh chỉ mang tính minh họa
Do kích thước các nguyên tử và phân tử vô cùng bé (cỡ vài Angstrom, kí hiệu là A, 1 A =1/10,000,000,000 m), cộng với việc số lượng nguyên tử cực kỳ lớn trong một lượng chất, thật khó có thể hình dung phản ứng hóa học diễn ra thế nào khi trộn chúng với nhau và làm cách nào để điều khiển quá trình này ở từng nguyên tử đơn lẻ. Tuy nhiên các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm mang tên nhà khoa học đã thực hiện phép cân Trái Đất Cavendish của Đại học Cambridge (Anh Quốc) đã biến điều khó tin đó trở thành hiện thực. Dựa vào kỹ thuật laser và công nghệ nhiệt độ siêu thấp, họ đã điều khiển các phản ứng hóa học xảy ra ở cấp độ nguyên tử. Trước khi giới thiệu với anh em tinhte về công trình mang tính đột phá của Đại học Cambridge, mình sẽ trình bày lại một số khái niệm vật lý-hoá học để mọi người tiện theo dõi.
Kiến thức cơ bản
Các nguyên tử được cấu tạo từ hạt nhân mang điện tích dương ở trung tâm và (các) electron ở lớp vỏ ngoài. Electron chuyển động xung quanh hạt nhân với vận tốc rất lớn tạo ra một vùng không gian tích điện âm bao lấy hạt nhân mà chúng ta hay gọi là đám mây electron.
Ở điều kiện thường electron trong nguyên tử (hoặc ion) sẽ ở trên các quỹ đạo khác nhau mà ở đó chúng không bị mất năng lượng, hay các trạng thái dừng. Do đó khi một yếu tố nào đó cung cấp năng lượng (nhiệt, ánh sáng ...) để electron nhảy lên trạng thái dừng cao hơn hoặc nhảy ra khỏi nguyên tử, và đặt nguyên tử vào trạng thái bị kích thích. Các cách tác động khác nhau có thể gây ra các trạng thái kích thích khác nhau. Ở các trạng thái này, nguyên tử và ion sẽ có nhiều năng lượng hơn so với khi chúng ở trạng thái cơ bản (nguyên tử bình thường). Tuy nhiên, chúng thường có xu hướng giải phóng năng lượng và trở về trạng thái cơ bản bền hơn sau một thời gian nào đó. Trong trường hợp electron thoát khỏi lực hút hạt nhân thì liên kết giữa nó và hạt nhân bị phá vỡ, năng lượng cần cung cho quá trình này gọi là năng lượng ion hoá.
Bây giờ ta sẽ xem điều gì xảy ra khi các chất phản ứng với nhau: đó là quá trình bẻ gãy và tạo các liên kết mới giữa các chất. Tương tự như trường hợp liên kết giữa hạt nhân và electron, để phá vỡ liên kết giữa các nguyên tử (phân tử), cần phải cung cấp một năng lượng tương ứng. Ngược lại, khi hai nguyên tử độc lập liên kết với nhau, chúng giải phóng một năng lượng nào đó. Ví dụ khi proton kết hợp với electron để tạo thành nguyên tử Hydro thì nó sẽ toả ra nhiệt năng. Khi phản ứng hoá học diễn ra, các liên kết ban đầu bị phá vỡ và các liên kết mới được hình thành. Thông thường năng lượng giải phóng từ liên kết mới sẽ lớn hơn năng lượng phá vỡ liên kết cũ, khi đó các phản ứng được gọi là tỏa nhiệt. Năng lượng từ phản ứng tỏa nhiệt có thể ở đưới dạng động năng của sản phẩm (chuyển động nhanh hơn hay tăng nhiệt độ hỗn hợp) hoặc phát sáng (bức xạ các photon).
Thực nghiệm tại Cavendish Laboratory
Ở các điều kiện thông thường, khi hai lượng chất hóa học thích hợp được trộn lẫn với nhau, các chuyển động nhiệt hỗn loạn, hay các tác nhân từ con người sẽ làm cho các nguyên tử, phân tử tiếp xúc và gây ra phản ứng. Tuy nhiên, khi ở nhiệt độ siêu thấp và với một vài nguyên tử thì tình hình hoàn toàn khác so với những gì chúng ta tưởng tượng. Các nguyên tử chuyển động rất chậm nên chúng không có đủ động năng cần thiết để thắng lực đẩy Coulomb giữa hai đám mây electron tích điện âm bao quanh bên ngoài. Kết quả là phản ứng sẽ không xảy ra.
Vì vậy, thay cho việc thực hiện với cặp nguyên tử-nguyên tử, nhóm nghiên cứu tại Cambridge xem xét cặp ion-nguyên tử. Chúng ta biết rằng các ion hình thành khi nguyên tử bị mất hoặc nhận thêm một hoặc một vài electron, nên nó sẽ không còn là hạt trung hoà về điện nữa. Khi một nguyên tử và một ion tích điện dương chuyển động chậm, lực hút Coulomb giữa chúng sẽ đẩy làm cho hai hạt này tiến lại gần nhau và khi đó sự kết hợp sẽ gây ra phản ứng hoá học.
Dựa trên nguyên tắc đó, các nhà nghiên cứu đã tiến hành xem xét quá trình tương tác giữa ion Ytterbium mang điện tích dương (Yb+) và các nguyên tử Rubidium trung hoà điện (Rb). Trong thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã sử dụng tia laser để tạo ra các ion Yb+ với hai trạng thái kích thích khác nhau. Họ lựa chọn các trạng thái này vì chúng tồn tại đủ lâu trước khi nó trở về trạng thái cơ bản và điều khiển để nó phản ứng với các nguyên tử Rb.
Để kiểm tra phản ứng đang tiến hành thuộc dạng giải phóng động năng hay photon, các nhà khoa học tại Cambridge tiến hành thí nghiệm đầu tiên trong bóng tối bằng cách tắt chùm tia laser sau khi sử dụng nó để ion hóa các nguyên tử Yb. Kết quả cho thấy phản ứng này chỉ giải phóng năng lượng duới dạng động năng. Tuy nhiên, do có thêm năng lượng của Yb+ ở trạng thái kích thích được chuyển hóa, nên phân tử tạo ra sau phản ứng chuyển động nhanh hơn so với thông thường. Trong một số trường hợp, phân tử này có thể có tốc độ đủ lớn để thoát khỏi lực hút giữa các thành phần khác và va chạm với thành bình của thiết bị thí nghiệm. Khi đó người ta có thể đo đạc được chính xác vận tốc và năng lượng chúng có được là bao nhiêu.
Trong thí nghiệm thứ hai, nhóm nghiên cứu tiếp tục chiếu chùm và nguyên tử Rb và ion để điều chỉnh quá trình tương tác giữa chúng. Bằng cách chỉnh tần số của bức xạ laser, họ thấy rằng đổi tốc độ phản ứng cũng như trạng thái lượng tử của các hạt sản phẩm sẽ thay đổi theo.
Tuy nhiên, các kết quả đo chỉ ra không phải lúc nào các phản ứng cũng có thể xảy ra. Một số va chạm giữa Rb và Yb+chạm làm cho một electron chuyển từ nguyên tử Rb sang ion Yb+. Khi đó các nhà khoa học thu được một nguyên tử Yb trung hòa về điện và Rb+. Quá trình này được gọi là sự thay đổi điện tích.
Quảng cáo
Qua chuỗi thí nghiệm, các nhà khoa học nhận thấy các thay đổi định hướng tương đối giữa spin của electron và spin của hạt nhân có thể gây ra những ảnh hưởng khác nhau lên trạng thái lượng tử của sản phẩm phản ứng. Đây là một hiện tượng rất mới, bởi cho tới nay các quan điểm đều thống nhất phản ứng hoá học chỉ do ảnh hưởng của lớp vỏ nguyên tử và hạt nhân không đóng một vai trò tác động nào.
Quá trình khảo sát các hiện tượng trao đổi điện tích, ảnh hưởng spin nguyên tử, và các tính chất khác xuất hiện trong quá trình phản ứng, các nhà khoa học đã đưa ra lời giải thích trọn vẹn cho câu hỏi làm thế nào các trạng thái lượng tử có thể kết hợp với nhau để gây ra phản ứng hoá học ở nhiệt độ siêu thấp. Hơn nữa, bằng cách sử dụng các đơn nguyên tử, họ có thể tạo ra một môi trường sạch để tránh ảnh hưởng của môi trường hoặc các tạp chất có thể tác động tới kết quả thí nghiệm.
Công trình của nhóm nghiên cứu tại Đại học Cambridge đã được đăng tải trên tạp chí danh tiếng Nature Physics.
Nguồn: Arstechnica
