Lần đầu quan sát chính xác những gì diễn ra trong một phản ứng hóa học

Phản ứng hóa học ở nhiệt độ thấp nhất được biết đến trong vũ trụ diễn ra tại điểm sẽ xuất hiện một hỗn độn của những tia laser. Sự xuất hiện này ẩn chứa một điều khác biệt: ở sâu bên trong là những hỗn độn được sắp xếp một cách cẩn thận, với những mức nhiệt độ lạnh hơn hàng triệu lần vũ trụ liên sao, nhà nghiên cứu Kang-Kuen Ni đã đạt được một kỳ tích về sự chính xác trong quan sát này.

Các phản ứng hóa học chuyển các chất phản ứng thành chất khác thông qua một trạng thái trung gian, nơi liên kết hóa học bị phá vỡ và hình thành. Do diễn ra trong khoảng thời gian quá ngắn nên rất khó quan sát. Bằng việc “cấp đông” các hoạt động của chất phản ứng (ở dây là phân tử potassium-rubidium) tới nhiệt độ 500 nanokelvin, con số cho phép tồn tại mức năng lượng để giới hạn chất tạo ra . “Bẫy”  được giai đoạn trung gian đủ lâu, các nhà nghiên cứu có thể quan sát phan này một cách trực tiếp. Kỹ thuật này có thể tiến tới kiểm oats phản ứn hóa học ở cấp độ lượng tử với các phân tử siêu lạnh. Nguồn: Ming-Guang Hu

Để cho các phân tử siêu lạnh tiếp xúc và tương tác, bà đã phá vỡ và hình thành những liên kết ở điều kiện nhiệt độ thấp nhất trong lịch sử của các ghép đôi phân tử.

“Có thể trong nhiều năm sắp tới, chúng tôi chỉ có duy nhất một phòng thí nghiệm có thể làm được điều này”, Ming-Guang Hu, một postdoc tại phòng thí nghiệm của Ni và là tác giả thứ nhất của công bố “Quan sát trực tiếp các phản ứng chứa hai phân tử của các phân tử KRb siêu lạnh” (Direct observation of bimolecular reactions of ultracold KRb molecules) xuất bản trên Science. Năm năm trước, Ni, phó giáo sư hóa học và sinh học hóa học Morris Kahn và là một nhà tiên phong về hóa học siêu lạnh (ultracold chemistry), đã thiết kế để xây dựng một công cụ mới có thể có được các phản ứng hóa học mức nhiệt độ thấp nhất, thấp hơn cả bất kỳ công nghệ hiện hành nào. Nhưng họ không thể chắc chắn là kỹ thuật phức tạp của mình có thể vận hành được.

Hiện tại, họ không chỉ thực hiện được phản ứng ở mức nhiệt độ thấp nhất mà còn khám phá ra thiết bị mới của mình có thể làm được những điều mà họ thậm chí còn không thể dự đoán được. Trong nhiều mức nhiệt độ cực lạnh – 500 anokelvin hoặc chỉ một vài phần triệu một độ trên độ không tuyệt đối – các phân tử của chúng di chuyển chậm hơn cho tới tốc độ đóng băng, Ni và nhóm nghiên cứu của cô có thể thấy được những thứ mà không ai trước đây có thể thấy được: một khoảng khắc hai phân tử gặp nhau để hinhd thành hai phân tử mới. Về bản chất, họ “bắt” được một phản ứng hóa học ở đúng hành động khó nắm bắt và có ý nghĩa nhất.

Các phản ứng hóa học là kết quả của mọi hoạt động theo đúng nghĩa đen: thở, nấu nướng, tiêu hủy, tạo năng lượng, chế tạo thuốc và các hoạt động như làm xà phòng. Vì vậy việc hiểu cách chúng diễn ra nhu thế nào tại mức độ cơ bản có thể giúp các nhà nghiên cứu thiết kế ra các hợp chất mà thế giới chưa từng thấy. Với một số lượng vô hạn của những kết hợp mới có thể tạo ra, những phân tử mới có thể đem đến nhiều ứng dụng từ việc tạo ra năng lượng hiệu quả hơn đến những vật liệu mới như những bức tường có khả năng chống mốc và thậm chí là có thể xây dựng những khối cơ bản cho máy tính lượng tử.

Trong nghiên cứu trước đây của mình, Ni đã áp dụng những mức nhiệt độ thấp hơn cho nghiên cứu về ma thuật hóa học này: các phân tử gập được từ những nguyên tử có thể chưa bao giờ tương tác. Lạnh ở mức tới hạn, các nguyên tử và phân tử chuyển động chậm dần thành giếng lượng tử, trạng thái năng lượng thấp nhất có thể của chúng. Ở đó, Ni có thể điều khiển các liên phản ứng phân tử với độ chính xác cực điểm. Nhưng thậm chí cô có thể chỉ thấy phần bắt đầu của các phản ứng đó: hai phân tử tiến vào nhưng sau đó là gì? Những gì diễn ra trong giai đoạn giữa và cuối như một lỗ đen mà chỉ lý thuyết mới có thể hiểu và giải thích.

Các phản ứng hóa học xảy ra chỉ trong phần triệu của một phần tỷ một giây, khoảng thời gian này được biết như mức femtoseconds. Thậm chí phần lớn các công nghệ phức tạp bậc nhất hiện nay không thể “bắt” được sự tồn tại ngắn ngủi như thế, dẫu một số công nghệ đã tiến gần tới mức đó. Trong 20 năm gần đây, các nhà khoa học đã sử dụng các tia laser cực nhanh như các camera có khả năng chụp nhanh hành động, bắt nhanh các hình ảnh phản ứng khi chúng xảy ra. Nhưng chúng không thể có được bức tranh tổng thể. “Phần lớn thời gian, anh chỉ có thể thấy các chất phản ứng này biến mất và các thứ tạo ra xuất hiện tại thời điểm anh có thể đo đạc. Nó không đo đạc được trực tiếp những gì diễn ra trong các phản ứng hóa học đó”, Ni nói. Cho đến tận bây giờ.

Các mức nhiệt độ siêu lạnh của Ni thúc đẩy các phản ứng đó tới một tốc độ gần như tê liệt ngay tức thì. “Bởi vì các phân tử đều rất lạnh, Ni nói, “giờ đây chúng ta đạt được hiệu ứng thắt cổ chai”. Khi cô và nhóm nghiên cứu của mình tương tác hai phân tử potassium rubidium – được chọn vì tính dễ uốn của chúng – các mức nhiệt độ siêu lạnh đẩy các phân tử nán lại trong giai đoạn trung gian ở khoảng thời gian microseconds – khoảng phần triệu một giây. Đây là khoảng thời gian có thể quá ngắn nhưng gấp triệu lần thông thường và đủ dài để Ni và nhóm nghiên cứu của mình tìm hiểu pha phá vỡ các liên kết hóa học và hình thành về bản chất cách một nguyên tử chuyển sang một nguyên tử khác như thế nào.

Với tầm nhìn gần như vậy, Ni cho biết cô và nhóm nghiên cứu của mình có thể kiểm tra các lý thuyết vẫn dự đoán những gì diễn ra trong “lỗ đen” của một phản ứng nếu chúng thực sự xảy ra. Sau đó, nhóm nghiên cứu của cô có thể soạn các lý thuyết mới, sử dụng dữ liệu thực tế để có dự đoán một cách chính xáccía gì xảy Ra trong những phản ứng hóa học khác, ngay cả những phản ứng diễn ra trong thực tại lượng tử đầy bí ẩn.

Ngay lập tức, nhóm nghiên cứu phát hiện những gi họ có thể học hỏi trong thí nghiệm siêu lạnh của mình. Bước tiếp theo, họ có thể điều khiển được các chất phản ứng, kích thích chúng trước khi chúng phản ứng để nhìn thấy mức năng lượng cao của chúng tác động như thế nào đến kết quả cuối cùng. Hoặc chúng có thể ảnh hưởng đến phản ứng khi phản ứng xảy ra. “Với khả năng kiểm soát của mình, thời gian cửa sổ đủ dài để chúng tôi có thể chứng minh được”, Hu nói. “Hiện tại, với công cụ này, chúng tôi có thể nghĩ về khả năng đó. Không có kỹ thuật này, không có công trình nghiên cứu này, chúng tôi thậm chí không thể hiểu được chúng”.

Thanh Nhàn dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-11-ultracold-chemistry-chemical-reaction.html