Bí mật khuynh đảo giới khoa học của Einsteinium: 1 thế kỷ sau ngày vinh danh Einstein, các nhà nghiên cứu tiết lộ bí mật nguyên tố mang tên ông

khoa học khi phát hiện ra hiệu ứng quang điện, chứng tỏ ánh sáng vừa là hạt vừa là sóng. Được trao giải Nobel vật lý năm 1921 cho công trình của mình, Einstein sau đó sẽ đóng góp vào các lý thuyết liên quan đến phản ứng tổng hợp và phân hạch hạt nhân - được cho là mở đường cho việc phát minh và kích nổ vũ khí hạt nhân, cũng như năng lượng hạt nhân.

Và do đó, khi một nguyên tố chưa từng được giới khoa học phát hiện trước đây đã tình cờ xuất hiện trong các mảnh vụn hóa học của một vụ nổ thử hạt nhân 69 năm trước, thì chẳng có gì khó hiểu khi cộng đồng khoa học đặt tên cho nguyên tố đó theo tên của nhà vật lý vĩ đại. Einsteinium từ đó có mặt trong bảng tuần hoàn.

Giờ đây, 100 năm sau khi Einstein đoạt giải Nobel, các nhà hóa học cuối cùng đã có thể nghiên cứu về tính chất hóa học của một trong những nguyên tố có tính phóng xạ khó nắm bắt nhất và nặng nhất trong bảng tuần hoàn.

Einsteinium - Nguyên tố mang tên nhà vật lý vĩ đại

Einsteinium (Es) là nguyên tố thứ 99 trong bảng tuần hoàn. Bộ Năng lượng Mỹ lần đầu tiên phát hiện ra Einsteinium vào năm 1952 trong vụ thử bom khinh khí đầu tiên có tên “Ivy Mike” được kích nổ trên đảo Elugelab ở Thái Bình Dương (nay là một phần của quần đảo Marshall).

Bức ảnh Albert Einstein trong một chuyến đi đến Mỹ sau những khám phá đoạt giải Nobel của ông. Nguồn: Harris & Ewing / PICRYL.

Nguyên tố này không xuất hiện tự nhiên trên Trái Đất và chỉ có thể được sản xuất với số lượng cực nhỏ bằng các lò phản ứng hạt nhân chuyên dụng. Nó cũng khó tách khỏi các nguyên tố khác, có tính phóng xạ cao và phân hủy nhanh chóng, gây khó khăn cho việc nghiên cứu.

Vụ nổ của Ivy Mike là lần thử nghiệm đầu tiên của một thiết bị nhiệt hạch (bom H) có quy mô đầy đủ. Một vụ nổ như vậy tạo ra năng lượng gấp 4 lần so với bom phân hạch hạt nhân (giống 2 quả bom nguyên tử Mỹ ném xuống Nhật Bản năm 1945) và có năng lượng gấp 4.000.000 lần so với việc đốt một lượng than tương tự.

Và rồi, trong bụi phóng xạ từ vụ nổ của Ivy Mike, giữa những mảnh vụn hóa học, nguyên tử số 99 lần đầu tiên được tìm thấy. Chỉ có khoảng 200 nguyên tử của nguyên tố này được phát hiện, điều này cho thấy nó khan hiếm như thế nào. Năm 1961, sau 9 năm làm việc miệt mài (kể từ vụ nổ Ivy Mike), các nhà khoa học đã có thể tổng hợp nguyên tố 99 trong một phòng thí nghiệm.

Nhóm các nhà nghiên cứu thực hiện khám phá đã nghĩ đến việc đặt tên cho nguyên tố này là "Pandamonium", vì nhóm dự án đằng sau Ivy Mike đã hoạt động dưới mật danh là "PANDA". Nhưng cuối cùng, họ quyết định vinh danh Albert Einstein - và gọi nó là Einsteinium.

1 gram Einsteinium tạo ra 1.000 watt năng lượng

Các nhà vật lý hầu như không biết gì về Einsteinium.

Đồng tác giả Korey Carter, một trợ lý giáo sư tại Đại học Iowa (Mỹ) và là nhà khoa học cũ tại Phòng thí nghiệm Berkeley, nói với Live Science: "Giống như các nguyên tố khác trong dãy actinide - một nhóm gồm 15 nguyên tố kim loại được tìm thấy ở cuối bảng tuần hoàn - Einsteinium được tạo ra bằng cách bắn phá một nguyên tố đích, trong trường hợp này là Curium (Cm, 96), với neutron và proton để tạo ra các nguyên tố nặng hơn".

Có lẽ không có gì ngạc nhiên khi người ta biết rất ít về Einsteinium. Một nguyên tố được sinh ra trong vụ nổ nhiệt hạch, rất khó để thử nghiệm do tính phóng xạ cực mạnh của nó. Nó không chỉ quá nóng theo nghĩa đen để xử lý - một gram Einsteinium tạo ra 1.000 watt năng lượng - nó còn phát ra các tia gamma có hại, do đó, khi làm việc với nguyên tố này, các nhà nghiên cứu phải mặc đồ bảo hộ và cực kỳ thận trọng.

Hơn nữa, dạng xuất hiện phổ biến nhất của Einsteinium (được gọi là Es-253, dựa trên số neutron trong hạt nhân của nguyên tử) có chu kỳ bán rã chỉ 20 ngày. Điều đó có nghĩa là, sau 20 ngày, Einsteinium phân hủy một nửa. Sau vài tháng, số lượng nhỏ của nguyên tố mà các nhà khoa học có thể làm việc với thực tế... biến mất.

Hình ảnh 300 microgam Einsteinium vô cùng hiếm có. Nguồn: The Conversation.

Vì vậy, không có gì ngạc nhiên khi các nhà khoa học mất gần 70 năm để nắm bắt được nguyên tố này. Nhưng giờ đây, một nhóm chuyên gia từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley, Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos và Đại học Georgetown (đều của Mỹ) đã tìm cách tạo ra một lượng nhỏ Einsteinium đủ để thực hiện một số thử nghiệm cơ bản về nguyên tố này - tạo ra bước ngoặt mới trong hóa học thực nghiệm và khoa học cơ bản.

Trong bài nghiên cứu đăng trên Tạp chí Nature ngày 4/2/2021, các nhà nghiên cứu giải thích cách họ sử dụng chỉ 200 nanogram Es-254 (một lượng nhẹ hơn một hạt muối khoảng 300 lần) - Es-254 là một dạng Einsteinium hiếm với chu kỳ bán rã 275,5 ngày - để chạy các thí nghiệm của mình. Một nanogram chỉ bằng một phần tỷ gram, vì vậy những thí nghiệm này đã diễn ra ở quy mô cực kỳ nhỏ.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một lò phản ứng hạt nhân chuyên dụng tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge ở bang Tennessee (Mỹ), một trong số ít nơi trên thế giới có thể tạo ra Einsteinium, và tìm ra điều bất ngờ.

Phát hiện bất ngờ từ Einsteinium

Thực nghiệm hóa học với Einsteinium lần đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã cố gắng tổng hợp một hợp chất hóa học để kiểm tra cách nó có thể tương tác với các nguyên tố khác trong một hợp chất. Điều này được thực hiện dưới Nguồn sáng bức xạ Synchrotron Stanford (SSRL), chiếu ánh sáng năng lượng cao vào các hợp chất hóa học để cho phép cấu trúc của chúng được 'phơi bày'.

Nhóm làm việc cùng nhau để đo độ dài liên kết (bond distances) của Einsteinium-254 bằng quang phổ hấp thụ tia X, trong đó họ bắn phá mẫu Einsteinium-254 bằng tia X. Việc này đòi hỏi phải xây dựng một giá đỡ chuyên dụng cho mẫu, giá đỡ này không bị vỡ vụn dưới các cuộc bắn phá bằng tia X trong khoảng ba ngày.

Các nhà nghiên cứu đã quan sát điều đã xảy ra với ánh sáng được hấp thụ bởi mẫu và nhận thấy rằng ánh sáng phát ra sau đó bị ngả xanh, nghĩa là các bước sóng bị rút ngắn đi một chút.

Đây là một điều bất ngờ, bởi vì họ đã mong đợi một dịch chuyển đỏ (Redshift) - bước sóng dài hơn - và điều này cho thấy các electron của Einsteinium có thể ghép đôi khác với các nguyên tố khác gần nó trên Bảng tuần hoàn. Thật không may, nhóm nghiên cứu không thể lấy dữ liệu nhiễu xạ tia X do ô nhiễm Californium trong mẫu của họ.

Giới khoa học đang cố gắng tổng hợp các nguyên tố nặng hơn với số lượng có thể đo được tương tự, nhằm tiết lộ nhiều hơn về các hóa chất tạo nên thế giới của chúng ta. Nguồn: Tomasz Zajda / Adobe

"Kết quả là "điểm dữ liệu đầu tiên có ý nghĩa" về nguyên tố hiếm có Einsteinium. Nó mở ra cho chúng tôi những đường hướng nghiên cứu đột phá về sau này" - Nhà hóa học Mỹ Korey Carter nói.

Công việc phân tích phóng xạ đã được thực hiện trên nguyên tố Einsteinium ngay sau khi được phát hiện vào những năm 1950, nhưng vào thời điểm đó, rất ít nghiên cứu về các nguyên tố dãy actini (là kim loại và có tính phóng xạ) nói chung ngoài đặc tính phóng xạ của chúng.

Tính cho đến trước thời điểm công bố nghiên cứu trên Tạp chí Nature ngày 4/2, Einsteinium là nguyên tố hóa học nặng nhất có thể được kiểm tra theo cách này (kiểm tra tính phóng xạ) - vì vậy, thật phấn khích đối với các nhà hóa học khi phát hiện trên được công bố (Redshift ngắn).

Thách thức mà các nhà hóa học trong tương lai phải đối mặt là cố gắng tổng hợp các nguyên tố nặng hơn với số lượng có thể đo được tương tự, nhằm tiết lộ nhiều hơn về các hóa chất tạo nên thế giới của chúng ta. Với phát hiện mang tính đột phá bước đầu này, các nhà khoa học hy vọng những thành tựu tiếp theo sẽ được tiếp nối trong tương lai gần.