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 (b.ắn 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.
Video đang HOT
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.
Lần đầu tiên trong lịch sử phát hiện cơ sở sự sống trên sao Kim
Ở hành tinh sao Kim khắc nghiệt, các nhà khoa học có thể tìm thấy oxy nguyên tử. Phát hiện này có ý nghĩa thế nào?
Oxy chiếm khoảng 21% không khí trên Trái đất, phần còn lại của bầu khí quyển của chúng ta chủ yếu là nitơ. Hầu hết các sinh vật sống - bao gồm cả con người - đều cần oxy để tồn tại.
Hành tinh láng giềng của Trái đất là sao Kim lại kể một câu chuyện hoàn toàn khác. Bầu không khí dày đặc và độc hại của nó bị chi phối bởi carbon dioxide (CO2), chiếm đến 96,5%. Oxy gần như không có.
Trên thực tế, với việc sao Kim nhận được ít sự quan tâm khoa học hơn nhiều so với các hành tinh khác như sao Hỏa, thì việc phát hiện trực tiếp oxy trên sao Kim vẫn còn khó khăn. Phát hiện mới nhất của các nhà khoa học Đức đã làm nên cuộc cách mạng trong hành trình khám phá Kim tinh.
Tìm thấy nguyên tố sự sống hiếm có trên "hành tinh địa ngục"
Sử dụng một thiết bị trên Đài quan sát trên không SOFIA - một chiếc máy bay Boeing 747SP được sửa đổi để mang theo kính viễn vọng hồng ngoại trong một dự án chung giữa NASA và Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức - các nhà khoa học lần đầu tiên phát hiện trực tiếp oxy ở phía sao Kim đối diện với Mặt trời - nơi nó thực sự được tạo ra trong khí quyển của hành tinh, Reutersthông tin.
Hình minh họa mô phỏng bề mặt của sao Kim. Nó đủ nóng để làm tan chảy kim loại và với những đám mây chứa đầy axit, bất kỳ sự sống nào có thể tồn tại trong bầu khí quyển của sao Kim sẽ phải có khả năng chịu đựng những điều kiện cực kỳ khắc nghiệt. Nguồn: RICK GUIDICE / NASA / THE NEW YORK TIMES
Trên sao Kim có một lớp mây chứa axit sulfuric (H₂SO₄) cao tới 65 km so với bề mặt hành tinh này. Ở độ cao này, gió mạnh như bão thổi theo hướng ngược lại với hướng quay của hành tinh. Trong khi đó, ở độ cao khoảng 120 km phía trên bề mặt, gió mạnh thổi cùng hướng với chuyển động quay của hành tinh.
Và các nhà khoa học phát hiện thấy oxy nguyên tử tập trung giữa hai lớp hung dữ đó, ở độ cao khoảng 100 km. Nhiệt độ của oxy được phát hiện dao động từ khoảng -120 độ C ở nửa sáng của sao Kim đến -160 độ C ở nửa tối.
Các nhà khoa học lưu ý rằng oxy nguyên tử này chỉ chứa 1 nguyên tử oxy - khác với oxy phân tử, bao gồm 2 nguyên tử oxy và có thể giúp con người thở được.
"Bầu khí quyển của sao Kim rất dày đặc. Thành phần cũng rất khác so với Trái đất. Bầu không khí dày đặc trên hành tinh thứ hai từ Mặt trời giữ nhiệt trong hiệu ứng nhà kính. Nó không hề "hiếu khách" (dễ sống), ít nhất là đối với các sinh vật mà chúng ta biết từ Trái đất" - Nhà vật lý Heinz-Wilhelm Hübers của Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức, tác giả chính của nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Communications, cho biết.
Các nhà nghiên cứu cho biết, oxy nguyên tử được tạo ra trong ngày ở sao Kim bằng bức xạ cực tím từ Mặt trời, p.hân h.ủy carbon dioxide (CO2) và carbon monoxide (CO) trong khí quyển thành các oxy nguyên tử và các hóa chất khác. Một phần oxy sau đó được gió vận chuyển đến nửa tối của sao Kim.
Hình minh họa sao Kim bị gió Mặt trời "tấn công" mà không có sự bảo vệ từ từ tính. Nguồn: ESA / C. Carreau
Nhà vật lý thiên văn và đồng tác giả nghiên cứu Helmut Wiesemeyer - thuộc Viện thiên văn vô tuyến Max Planck ở Đức - cho biết: "Việc phát hiện oxy nguyên tử trên sao Kim là bằng chứng trực tiếp cho hoạt động của quang hóa - được kích hoạt bởi bức xạ tia cực tím Mặt trời - và cho sự vận chuyển các sản phẩm của nó bằng gió của khí quyển sao Kim".
Helmut Wiesemeyer nói thêm: "Trên Trái đất, tầng ozone bảo vệ sự sống của chúng ta là một ví dụ nổi tiếng về quá trình quang hóa như vậy".
Các nhà khoa học cho biết, nguyên tố chính trong bầu khí quyển của sao Kim là CO2, trong khi của Trái đất là nitơ. Điều thú vị là hai "hành tinh chị em" này có lượng CO2 trong khí quyển gần như giống nhau.
Tuy nhiên, Trái đất có thể loại bỏ CO2 khỏi khí quyển và chôn nó trong đá cacbonat, trong khi thực vật hấp thụ nó và chuyển hóa nó thành oxy. Đá cacbonat thường có ở các đại dương và được tái chế trở lại Trái đất thông qua hoạt động kiến tạo mảng, để giữ cân bằng CO2 trên Trái đất.
Ngược lại, sao Kim không có thực vật và đại dương để loại bỏ CO2; do đó, khí này cư trú trong khí quyển và tạo ra hiệu ứng nhà kính cực độ. Sao Kim cũng thiếu kiến tạo mảng và không thể đưa đá cacbonat vào sâu trong hành tinh. Do đó, bầu khí quyển là nơi duy nhất để CO2 thoát ra. Đó cũng là lý do bầu khí quyển của sao Kim dày đến mức trông gần như không thể xuyên thủng.
Sự thống trị của CO2 trong bầu khí quyển của sao Kim tạo ra áp suất cao và nhiệt độ bề mặt khoảng 454 độ C.
Sao Kim đứng ở vị trí thứ 2 tính từ Mặt trời. Ảnh: National Geographic
Sao Kim có đường kính khoảng 12.000 km, nhỏ hơn Trái đất một chút. Trong Hệ Mặt trời của chúng ta, Trái đất cư trú thoải mái trong "vùng có thể ở được - habitable zone" xung quanh Mặt trời - khoảng cách được coi là không quá gần cũng không quá xa so với một ngôi sao để có thể lưu trữ sự sống và giữ nước ở dạng lỏng. Còn sao Kim ở gần ranh giới bên trong Trái đất và sao Hỏa ở gần ranh giới bên ngoài Trái đất.
"Chúng ta vẫn đang ở giai đoạn đầu tìm hiểu sự tiến hóa của sao Kim và trong hành trình lý giải tại sao nó lại khác biệt với Trái đất đến vậy dù nó vẫn luôn được gọi là "hành tinh chị em" của Trái đất" - Heinz-Wilhelm Hübers cho biết.
Ngôi sao hai mặt khiến các nhà thiên văn học không thể đưa ra lý giải Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra một ngôi sao kỳ lạ có hai mặt riêng biệt, với mỗi mặt được tạo thành từ một nguyên tố khác nhau. Sao lùn trắng là tàn tích còn sót lại sau khi các ngôi sao như Mặt trời mất các lớp bên ngoài của chúng ở cuối vòng đời, vốn để lại phần...
