Cuộc đua mở rộng bảng tuần hoàn

Vào tháng 1 năm 2016, Liên minh Quốc tế về Hóa học Thuần túy và Ứng dụng (IUPAC) công bố khám phá bốn nguyên tố mới, hoàn thành chu kì thứ bảy của bảng Tuần hoàn. Đây là các nguyên tố có số nguyên tử 113, 115, 117,118 và được đặt tên tạm thời là ununtrium (Uut), ununpentium (UUp), ununseptium (Uus), ununoctium (Uuo). Sau đó, chúng đã được đặt tên chính thức là nihonium (Nh), moscovium (Mc), tennessine (Ts) và oganesson (Og). Quy trình đặt tên cho các nguyên tố mới được IUPAC quy định rõ ràng.

Tuyên bố về việc phát hiện một nguyên tố mới được IUPAC và Liên minh Quốc tế về Vật lí Thuần túy và Ứng dụng (IUPAP) xác nhận, sau đó chính thức giao cho một nhóm nhà khoa học hoặc một phòng thí nghiệm. Sau đó, Ủy ban Hóa học Vô cơ của IUPAC mời những người phát hiện đề xuất tên và kí hiệu. Những đề xuất này phải tuân theo các hướng dẫn nghiêm ngặt. Tên có thể dựa trên một khái niệm thần thoại, một khoáng vật, một người, một địa điểm hoặc một tính chất và phải có phần kết thúc phù hợp với các nguyên tố khác trong phần tương ứng của bảng tuần hoàn. Ví dụ, các nguyên tố trong nhóm 1 đến 16 phải kết thúc bằng 'ium', các nguyên tố trong nhóm 17 kết thúc bằng 'ine' và các nguyên tố trong nhóm 18 phải kết thúc bằng 'on'.

Nguyên tố 113 được tổng hợp tại Nhật Bản và những người phát hiện ra nó đề xuất tên gọi nihonium để phản ánh nguồn gốc này. Nihon là một trong hai cách gọi tên Nhật Bản và có nghĩa là "Đất nước Mặt trời mọc". Tương tự, các nguyên tố 114 và 117 được đặt tên để vinh danh các khu vực địa lí – nơi những người phát hiện tiến hành nghiên cứu khoa học của họ – lần lượt là Moscow (Nga) và Tennesse (Hoa Kì). Những người phát hiện nguyên tố 118 đến từ Moscow và Hoa Kì và khi đề xuất tên oganesson, họ đã chọn vinh danh nhà khoa học Yuri Organessian vì những đóng góp của ông cho hóa học và vật lí của các nguyên tố siêu nặng.

Mặc dù thông báo về các nguyên tố mới này thường do IUPAC đưa ra nhưng việc phát hiện các nguyên tố siêu nặng mới chủ yếu thuộc lĩnh vực của các nhà vật lí hơn là các nhà hóa học. Các nguyên tố khổng lồ và rất kém bền này được tổng hợp với số lượng cực kì nhỏ (trong một số trường hợp có thể chỉ vài nguyên tử!) bằng phản ứng hợp hạch trong máy gia tốc ion nặng.  Quá trình này kết hợp hai hạt nhân chứa nhiều proton và tạo ra một lực đẩy khổng lồ. Lực này ngay lập tức dẫn đến sự phân hạch hạt nhân trong hầu hết các trường hợp, ngoại trừ một tỉ lệ rất nhỏ. Ngay cả những nguyên tử hiếm hoi của nguyên tố siêu nặng mới được tạo ra cũng rất không ổn định và gần như ngay lập tức phân rã phóng xạ, tạo ra các đồng vị mới của các nguyên tố nhẹ hơn đã biết.

Bốn nguyên tố mới được tạo ra bằng cách bắn chùm ⁴⁸Ca vào bia mục tiêu là nguyên tử californium hoặc berkelium, nhưng ⁴⁸Ca không mang đủ số proton để tạo ra các nguyên tố siêu nặng mới. Cuộc đua đã bắt đầu để xác định các bia mục tiêu mới nhằm tạo ra nguyên tố 119 và thậm chí là các nguyên tố siêu nặng khác. Bảng tuần hoàn dường như sẽ tiếp tục mở rộng hơn nữa khi chúng ta tiến vào những thập kỉ sau của thế kỉ 21.

Cuộc đua tìm kiếm nguyên tố 119 - Sự cạnh tranh quốc tế

Hiện nay, cuộc đua tìm kiếm nguyên tố 119 đang diễn ra giữa các phòng thí nghiệm hàng đầu thế giới, với Trung tâm Khoa học Gia tốc Riken Nishina của Nhật Bản đang tạm dẫn đầu. Đây là kết quả bất ngờ của sự giao thoa giữa địa chính trị, chiến lược nghiên cứu và đôi chút may mắn.

Nhật Bản từng nếm trải thất bại trong lĩnh vực này khi vào năm 1908, nhà hóa học Masataka Ogawa tuyên bố phát hiện nguyên tố "nipponium". Tuy nhiên, do sai sót trong việc xác định vị trí của nguyên tố này (đặt ở vị trí nguyên tố 43 thay vì nguyên tố 75), nipponium đã không được đưa vào bảng tuần hoàn. Phải đến năm 2012, các nhà khoa học Nhật Bản tại Riken mới thành công trong việc tổng hợp nguyên tố 113, sau 9 năm nghiên cứu và thực hiện khoảng 4 nghìn tỉ va chạm nguyên tử. Nguyên tố này sau đó được đặt tên là nihonium – nguyên tố đầu tiên được phát hiện tại châu Á.

Việc Nhật Bản vươn lên dẫn đầu trong cuộc đua tìm kiếm nguyên tố 119 đến từ nhiều yếu tố. Từ năm 2017, Riken bắt đầu nâng cấp cơ sở vật chất, đúng thời điểm mà một trong những đối thủ lớn nhất – Liên minh giữa Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) và Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL) ở Mỹ với Viện Nghiên cứu Hạt nhân Hợp nhất (JINR) ở Nga – bị gián đoạn do các vấn đề chính trị.

Công nghệ tạo ra nguyên tố siêu nặng - Những thách thức kĩ thuật

Để tạo ra nguyên tố 119, các nhà khoa học phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật. Việc tạo ra một nguyên tố siêu nặng thông qua phản ứng hợp hạch hạt nhân giống như… trúng xổ số, xác suất thành công cực kì thấp. Khi nguyên tử càng nặng, số proton càng nhiều, năng lượng và số lần thử cần thiết để vượt qua lực đẩy giữa các proton càng lớn.

Tại Riken, các nhà khoa học đã xây dựng nguồn ion cộng hưởng cyclotron điện tử siêu dẫn (SC-ECRIS) và máy gia tốc tuyến tính siêu dẫn Riken (SRILAC) để tạo ra chùm tia có cường độ gấp năm lần so với thí nghiệm tổng hợp nihonium. Hệ thống máy móc phức tạp này biến kim loại thành plasma bằng lò nhiệt độ cao, sau đó gia tốc nhiều hạt tích điện cùng lúc đến khoảng một phần mười tốc độ ánh sáng.

Chùm tia này được bắn vào các mẫu vật liệu mục tiêu được gắn trên một bánh xe kim loại. Bánh xe quay khoảng 2.000 vòng mỗi phút để ngăn chùm tia thiêu rụi nó. Ngay cả ở tốc độ cao này, mục tiêu vẫn đạt nhiệt độ 500-1.000°C. Xác suất để hai hạt nhân va chạm và hợp nhất là cực kì thấp – khoảng một lần trong 200 ngày. Nguyên tử siêu nặng tạo thành sẽ thoát ra từ mặt sau của mục tiêu (có độ mỏng như giấy bạc) và chỉ tồn tại chỉ trong vài mili giây trước khi phân rã.

Chiến lược lựa chọn vật liệu mục tiêu

Các nhà nghiên cứu tại Riken đã quyết định sử dụng phản ứng hợp hạch nóng (hot fusion) – một quá trình có năng lượng kích thích tương đối cao – để tạo ra nguyên tố 119, vì phản ứng hợp hạch lạnh (cold fusion) như quá trình tạo ra nihonium sẽ mất quá nhiều thời gian. Chùm ion calcium-48 (vốn thường được sử dụng trong phản ứng hợp hạch nóng) lại không khả dụng vì đối tác hợp hạch của nó sẽ là einsteinium – kim loại hiện được sản xuất bằng cách bắn các thanh curium bằng neutron, một quá trình cực kì chậm và khó khăn.

Trong số ba cặp hạt nhân khả thi để tạo ra nguyên tố 119 (americium-243 với chromium-54, curium-248 với vanadium-51, và berkelium-249 với titanium-50), Riken đã chọn cặp curium-vanadium vì cả hai nguyên tố đều dễ thao tác về mặt an toàn bức xạ và tính chất hóa học. Ngoài ra, curium-248 dễ điều chế hơn americium-243 hoặc berkelium-249, và vanadium-51 rẻ hơn và dễ kiếm hơn titanium-50. Khi một ion vanadium đâm trúng hạt nhân curium, có thể xảy ra phản ứng nhiệt hợp nóng tạo thành hạt nhân của nguyên tố 119. Hạt nhân mới này sau đó phát ra 3-4 neutron để tạo thành đồng vị bền hơn của nguyên tố 119 (119 proton, 176-177 neutron).

Ý nghĩa khoa học và ứng dụng tiềm năng

Mặc dù bất kì nguyên tử nào của nguyên tố 119 hoặc 120 có thể sẽ chỉ tồn tại trong vài mili giây trước khi phân rã, việc mở rộng giới hạn của bảng tuần hoàn giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về bản chất của nguyên tử và hạt nhân – những cấu trúc tạo nên mọi vật chất hữu hình. Các nhà nghiên cứu cũng dự đoán rằng một số đồng vị của nguyên tố 119 sẽ tiến đến "đảo ổn định" (island of stability) trong bảng tuần hoàn và có chu kì bán rã đủ dài để có thể ứng dụng thực tế.

Hiromitsu Haba, nhà hóa học hạt nhân dẫn đầu cuộc tìm kiếm nguyên tố 119 tại Riken, lạc quan rằng: “Nguyên tố 119 có thể sẽ hữu ích trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta trong 100 năm nữa.” Ông so sánh điều này với trường hợp của technetium – nguyên tố nhân tạo đầu tiên được tạo ra vào năm 1937. Khi đó, không ai biết nó sẽ có ứng dụng gì. Ngày nay, technetium-99m, với chu kì bán rã 6 giờ, đã trở thành một công cụ quan trọng trong y học, được sử dụng để phát hiện sự lây lan của ung thư xương và đánh giá chức năng của não, tuyến giáp, tim và gan.

Tài liệu tham khảo

C&Amp;EN, F. N. S. T. (2025, January 23). Japan races to stake its claim on element 119. Chemical & Engineering News. https://cen.acs.org/physical-chemistry/periodic-table/Japan-took-lead-race-discover/103/i2