Các nhà khoa học tạo ra vàng hydride bằng cách kết hợp vàng và hydro trong điều kiện khắc nghiệt
bởi Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC
Hình minh họa các xung cường độ cao từ tia laser electron tự do tia X (bên trái) làm nóng các mẫu hydrocarbon bị nén trong điều kiện khắc nghiệt, dẫn đến phản ứng giữa vàng và hydro tạo thành vàng hydride (ở giữa). Các nguyên tử vàng, được thể hiện bằng vàng, được cố định trong mạng tinh thể lục giác, qua đó hydro, được thể hiện bằng màu trắng, khuếch tán tự do ở trạng thái "siêu ion". Nguồn: Greg Stewart/Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC
Thật tình cờ và lần đầu tiên, một nhóm nghiên cứu quốc tế do các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ dẫn đầu đã tạo ra vàng hydride nhị phân rắn, một hợp chất được tạo thành hoàn toàn từ các nguyên tử vàng và hydro.
Các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu thời gian cần thiết để hydrocarbon, hợp chất được tạo thành từ carbon và hydro, hình thành kim cương dưới áp suất và nhiệt độ cực cao.
Trong các thí nghiệm tại Trung tâm XFEL (Laser Electron Tự do Tia X) Châu Âu ở Đức, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu tác động của những điều kiện khắc nghiệt đó lên các mẫu hydrocarbon được nhúng một lá vàng, được thiết kế để hấp thụ tia X và làm nóng các hydrocarbon hấp thụ yếu. Điều bất ngờ là họ không chỉ thấy sự hình thành kim cương mà còn phát hiện ra sự hình thành của vàng hydride.
"Điều này thật bất ngờ vì vàng thường rất nhàm chán và không phản ứng về mặt hóa học - đó là lý do tại sao chúng tôi sử dụng nó như một chất hấp thụ tia X trong các thí nghiệm này", Mungo Frost, nhà khoa học tại SLAC, người dẫn đầu nghiên cứu, cho biết.
"Những kết quả này cho thấy tiềm năng rất nhiều hóa học mới được khám phá ở những điều kiện khắc nghiệt, nơi tác động của nhiệt độ và áp suất bắt đầu cạnh tranh với hóa học thông thường, và bạn có thể tạo ra những hợp chất kỳ lạ này."
Các kết quả, được công bố trên Angewandte Chemie International Edition, cung cấp cái nhìn thoáng qua về cách các quy luật hóa học thay đổi trong các điều kiện khắc nghiệt như bên trong một số hành tinh hoặc các ngôi sao tổng hợp hydro.
Nghiên cứu hydro đặc
Trong thí nghiệm của mình, các nhà nghiên cứu đầu tiên nén các mẫu hydrocarbon đến áp suất lớn hơn áp suất bên trong lớp phủ Trái Đất bằng một buồng đe kim cương. Sau đó, họ nung nóng các mẫu đến hơn 3.500 độ F bằng cách liên tục chiếu các xung tia X từ máy XFEL của Châu Âu.
Nhóm nghiên cứu đã ghi lại và phân tích cách các tia X tán xạ khỏi các mẫu, cho phép họ phân tích các biến đổi cấu trúc bên trong.
Đúng như dự đoán, các mô hình tán xạ được ghi lại cho thấy các nguyên tử carbon đã hình thành cấu trúc kim cương. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cũng nhìn thấy các tín hiệu bất ngờ do các nguyên tử hydro phản ứng với lá vàng để tạo thành vàng hydride.
Trong điều kiện khắc nghiệt được tạo ra trong nghiên cứu, các nhà nghiên cứu nhận thấy hydro ở trạng thái đặc, "siêu ion", trong đó các nguyên tử hydro chảy tự do qua mạng nguyên tử cứng của vàng, làm tăng độ dẫn điện của vàng hydride.
Hydro, nguyên tố nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn, rất khó nghiên cứu bằng tia X vì nó chỉ tán xạ tia X yếu. Tuy nhiên, ở đây, hydro siêu ion đã tương tác với các nguyên tử vàng nặng hơn nhiều, và nhóm nghiên cứu đã có thể quan sát tác động của hydro lên cách mạng lưới vàng tán xạ tia X.
"Chúng ta có thể sử dụng mạng lưới vàng như một minh chứng cho những gì hydro đang làm", Mungo nói.
Hydrua vàng cung cấp một cách để nghiên cứu hydro nguyên tử đặc trong các điều kiện cũng có thể áp dụng cho các tình huống khác mà thực nghiệm không thể tiếp cận trực tiếp. Ví dụ, hydro đặc tạo nên phần bên trong của một số hành tinh, vì vậy việc nghiên cứu nó trong phòng thí nghiệm có thể giúp chúng ta hiểu thêm về những thế giới xa lạ đó.
Nó cũng có thể cung cấp những hiểu biết mới về các quá trình tổng hợp hạt nhân bên trong các ngôi sao như Mặt Trời của chúng ta và giúp phát triển công nghệ khai thác năng lượng tổng hợp trên Trái Đất.
Khám phá hóa học mới
Ngoài việc mở đường cho các nghiên cứu về hydro đặc, nghiên cứu này còn mở ra một hướng đi mới để khám phá hóa học mới. Vàng, vốn thường được coi là một kim loại không phản ứng, được phát hiện tạo thành hydride ổn định ở áp suất và nhiệt độ cực cao.
Trên thực tế, nó dường như chỉ ổn định ở những điều kiện khắc nghiệt đó, vì khi nguội đi, vàng và hydro tách ra. Các mô phỏng cũng cho thấy có thể có nhiều hydro hơn lọt vào mạng tinh thể vàng ở áp suất cao hơn.
Khung mô phỏng cũng có thể được mở rộng ra ngoài hydride vàng.
"Điều quan trọng là chúng ta có thể tạo ra và mô hình hóa các trạng thái này bằng thực nghiệm trong những điều kiện khắc nghiệt này", Siegfried Glenzer, giám đốc Phân ban Mật độ Năng lượng Cao, giáo sư khoa học photon tại SLAC và là nhà nghiên cứu chính của nghiên cứu, cho biết.
"Những công cụ mô phỏng này có thể được áp dụng để mô hình hóa các tính chất vật liệu kỳ lạ khác trong điều kiện khắc nghiệt."
Thông tin thêm: Mungo Frost và cộng sự, Tổng hợp Hydride Vàng ở Áp suất và Nhiệt độ Cao, Angewandte Chemie International Edition (2025). DOI: 10.1002/anie.202505811
Thông tin tạp chí: Angewandte Chemie International
Phiên bản al
Được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC
