Cách ‘truy lùng’ hợp chất hóa học

Vũ trụ tràn ngập hàng tỷ chất hóa học. Tuy nhiên, tới nay, các nhà khoa học chỉ xác định được 1% trong số đó.

Một số nhà hóa học dành toàn bộ sự nghiệp của mình để cố gắng tạo ra những hợp chất mà theo quy tắc hóa học là không tồn tại.

Các nhà khoa học tin rằng, những hợp chất hóa học chưa được khám phá có thể giúp loại bỏ khí nhà kính hoặc tạo ra bước đột phá về mặt y học giống như penicillin.

Con số “khổng lồ”

Nhà hóa học người Nga Dmitri Mendeleev phát minh ra bảng tuần hoàn các nguyên tố vào năm 1869, về cơ bản là hộp Lego của nhà hóa học. Khi đó, các nhà khoa học đã khám phá ra những hóa chất giúp định hình thế giới hiện đại.

Chúng ta cần phản ứng tổng hợp hạt nhân (bắn các nguyên tử vào nhau với tốc độ ánh sáng) để tạo ra số ít nguyên tố cuối cùng. Nguyên tố 117, tennessine, được tổng hợp vào năm 2010 theo cách này.

Song, để hiểu được quy mô đầy đủ của vũ trụ hóa học cũng cần phải hiểu các hợp chất hóa học. Một số xuất hiện một cách tự nhiên. Cụ thể, nước được tạo thành từ hydro và oxy. Trong khi đó, những loại khác, như nylon, được phát hiện trong các thí nghiệm và sản xuất tại nhà máy.

Các nguyên tố được tạo thành từ một loại nguyên tử. Trong khi đó, nguyên tử được tạo thành từ các hạt thậm chí còn nhỏ hơn bao gồm electron và proton. Tất cả các hợp chất hóa học được tạo thành từ hai nguyên tử trở lên. Mặc dù có thể còn sót lại những nguyên tố chưa được khám phá, nhưng điều đó khó có thể xảy ra.

Vậy, chúng ta có thể tạo ra bao nhiêu hợp chất hóa học với 118 loại khối Lego nguyên tố khác nhau hiện biết? Theo các nhà khoa học, có thể bắt đầu bằng cách tạo ra tất cả hợp chất có hai nguyên tử. Có rất nhiều chất trong số này.

Trong đó, N2 (nitơ) và O2 (oxy) cùng nhau chiếm tới 99% không khí. Có lẽ một nhà hóa học sẽ mất khoảng một năm để tạo ra một hợp chất. Theo lý thuyết, có 6.903 hợp chất hai nguyên tử. Các nhà hóa học phải nỗ lực nghiên cứu cả năm chỉ để tạo ra mọi hợp chất hai nguyên tử có thể.

Có khoảng 1,6 triệu hợp chất ba nguyên tử như H2O (nước) và CO2 (carbon dioxide). Khi đạt được các hợp chất bốn và năm nguyên tử, chúng ta sẽ cần mọi người trên Trái đất tạo ra ba hợp chất.

Để tạo ra tất cả các hợp chất hóa học này, chúng ta cũng cần phải tái chế tất cả các vật liệu trong vũ trụ nhiều lần. Song, tất nhiên, đây là một sự đơn giản hóa. Những thứ như cấu trúc của một hợp chất và tính ổn định có thể khiến nó phức tạp và khó chế tạo hơn.

Hợp chất hóa học lớn nhất được tạo ra cho đến nay là vào năm 2009 và có gần 3 triệu nguyên tử. Các nhà khoa học chưa chắc nó có tác dụng gì. Tuy nhiên, các hợp chất tương tự được sử dụng để bảo vệ thuốc điều trị ung thư trong cơ thể cho đến khi chúng được đưa đến đúng vị trí.

Hóa học có quy luật, nhưng cũng khá linh hoạt. Ngay cả những “khí hiếm” đơn độc (bao gồm neon, argon, xenon và helium), có xu hướng không liên kết với bất cứ thứ gì, đôi khi tạo thành các hợp chất.

Argon hydrua, ArH không tồn tại tự nhiên trên Trái đất mà đã được tìm thấy trong không gian. Các nhà khoa học đã có thể tạo ra những phiên bản tổng hợp trong phòng thí nghiệm tái tạo điều kiện không gian sâu.

Vì vậy, nếu đưa các môi trường khắc nghiệt vào tính toán của mình, số lượng hợp chất có thể có sẽ tăng lên. Carbon thường được gắn vào từ một đến bốn nguyên tử khác. Song, rất hiếm khi, trong một khoảng thời gian ngắn, năm nguyên tử là có thể.

Một số nhà hóa học dành toàn bộ sự nghiệp của mình để cố gắng tạo ra những hợp chất mà theo quy tắc hóa học là không tồn tại. Đôi khi họ thành công. Một câu hỏi khác mà các nhà khoa học phải giải quyết là liệu hợp chất mà họ muốn chỉ có thể tồn tại trong không gian hay môi trường khắc nghiệt.

Do đó, cần nghĩ đến sức nóng và áp suất cực lớn được tìm thấy tại các miệng phun thủy nhiệt, giống như mạch nước phun nhưng ở dưới đáy đại dương.

N2 (nitơ) và O2 (oxy) cùng nhau chiếm tới 99% không khí của chúng ta.

Cách tìm kiếm hợp chất mới

Thông thường, câu trả lời là tìm kiếm các hợp chất có liên quan đến những hợp chất đã được biết đến. Có hai cách chính để làm điều này. Người ta lấy một hợp chất đã biết và thay đổi nó một chút – bằng cách thêm, xóa hoặc hoán đổi một số nguyên tử.

Một cách khác là thực hiện một phản ứng hóa học đã biết và sử dụng nguyên liệu ban đầu mới. Đây là khi phương pháp sáng tạo giống nhau nhưng sản phẩm có thể khá khác nhau. Cả hai phương pháp này đều là cách tìm kiếm những ẩn số đã biết.

Điều đó giống như việc xây một ngôi nhà, sau đó là một ngôi nhà hơi khác, hoặc mua những viên gạch mới và xây thêm tầng hai. Rất nhiều nhà hóa học dành sự nghiệp của mình để khám phá một trong những ngôi nhà hóa chất này.

Tuy nhiên, câu hỏi được nhiều người đặt ra là: Làm thế nào chúng ta có thể tìm kiếm hóa học thực sự mới – tức là những ẩn số chưa biết? Một cách mà các nhà hóa học tìm hiểu về hợp chất mới là nhìn vào thế giới tự nhiên.

Penicillin được tìm ra theo cách này vào năm 1928, khi Alexander Fleming quan sát thấy nấm mốc trong đĩa petri của ông đã ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn.

Hơn một thập kỷ sau, vào năm 1939, Howard Florey đã tìm ra cách trồng penicillin với số lượng hữu ích mà vẫn sử dụng nấm mốc. Song, phải mất nhiều thời gian hơn nữa, cho đến năm 1945, Dorothy Crowfoot Hodgkin mới xác định được cấu trúc hóa học của penicillin.

Điều đó quan trọng vì một phần cấu trúc của penicillin chứa các nguyên tử được sắp xếp theo hình vuông. Đây là một sự sắp xếp hóa học bất thường mà ít nhà hóa học có thể đoán được và rất khó thực hiện.

Hiểu được cấu trúc của penicillin có nghĩa là giúp biết nó trông như thế nào và có thể tìm kiếm những họ hàng hóa học của nó. Ngày nay, việc xác định cấu trúc của các hợp chất mới đã dễ dàng hơn rất nhiều.

Kỹ thuật chụp X-quang mà Crowfoot Hodgkin đã phát minh ra trên con đường xác định cấu trúc của penicillin vẫn được sử dụng trên toàn thế giới để nghiên cứu các hợp chất. Kỹ thuật MRI tương tự mà các bệnh viện sử dụng để chẩn đoán bệnh cũng có thể được ứng dụng trên các hợp chất hóa học, giúp tìm ra cấu trúc của chúng.

Tuy nhiên, ngay cả khi một nhà hóa học đoán ra một cấu trúc hoàn toàn mới không liên quan đến bất kỳ hợp chất nào được biết đến trên Trái đất, họ vẫn phải tạo ra nó. Đó là phần khó khăn. Việc tìm ra rằng một hợp chất hóa học có thể tồn tại không sẽ cho biết nó có cấu trúc như thế nào hoặc cần những điều kiện gì để tạo ra nó.

Đối với nhiều hợp chất hữu ích, như penicillin, việc “phát triển” và chiết xuất chúng từ nấm mốc, thực vật hoặc côn trùng sẽ dễ dàng và rẻ hơn. Vì vậy, các nhà khoa học đang “ truy lùng” chất hóa học mới vẫn thường tìm nguồn cảm hứng ở những góc nhỏ nhất của thế giới xung quanh chúng ta.