Lý vượt mặt Hóa: nhà vật lý học tạo ra được phân tử hình tam giác mà các nhà hóa học cho là bất khả thi

Các nhà hóa học giỏi hóa, các nhà vật lý học giỏi lý – hiển nhiên là thế rồi. Thế mà giờ các nhà vật lý đã giỏi hóa hơn các nhà hóa học rồi, hay ít ra, tại viện nghiên cứu IBM Research, nhà vật lý học Leo Gross và đội ngũ của ông đã chứng minh được điều đó.

Họ đã tạo ra được một phân tử hình tam giác – một việc mà các nhà hóa học cho rằng là bất khả thi. Và không chỉ tạo ra, những nhà vật lý học tới từ IBM còn tiến xa hơn nữa: họ tìm ra được rằng những phân tử này có thể được dùng để chế tạo máy tính lượng tử.

Phân tử mới này có tên triangulene, trông có vẻ như nó được cắt ra từ hợp chất graphene vậy. Nó có một lớp carbon một nguyên tử cũng với các nguyên tử của nó được xếp thành hình sáu cạnh. Chưa hết, nguyên tử carbon trong mỗi góc của cấu trúc triangulene này đều được liên kết bằng một nguyên tử hydro.

Hai chấm trong cấu trúc của triangulene là hai electron tự do và đó chính là yếu tố khiến cho phân tử này vẫn được cho là “rất khó tạo ra”. Electron thường đi theo cặp, vì thế những phân tử có electron tự do sẽ thường có phản ứng rất mạnh, khiến cho nó trở thành một phân tử không ổn định.

Khi mà các nhà hóa học tạo nên những phân tử khác nhau trong phòng thí nghiệm, họ dựa vào những phản ứng hóa học mà những phân tử đó có thể có, bởi lẽ bản thân phân tử thì quá nhỏ để có thể can thiệp vào cấu trúc của nó.

Ví dụ, phân tử triangulene kia nhỏ hơn một phần một triệu lần bề ngang sợi tóc của con người. Nhưng đội ngũ các nhà vật lý học của giáo sư Gross đã nổi tiếng từ hồi năm 2009 nhờ việc tạo ra một cỗ máy có thể tạo hình ảnh của một phân tử ở mức nguyên tử.

Giáo sư Leo Gross bên trái và bên phải là một thành viên trong nhóm, anh Niko Pavliček.

Đây là cách họ đã tạo ra hình ảnh của phân tử:

Đầu tiên, đội ngũ đặt phân tử mà họ muốn tạo hình ảnh trên một bề mặt bằng đồng phủ một lớp muối thường, đặt toàn bộ chúng trong điều kiện chân không với nhiệt độ rất thấp. Họ sử dụng một đầu kim bằng vàng với một phân tử carbon monoxide duy nhất ở đầu của nó để cảm nhận phân tử.

Đầu kim sẽ được di chuyển xuyên suốt bề ngang của phân tử cần tạo hình kia, phân tử sẽ bị đẩy qua lại trên bề mặt bởi lực tạo ra khi hai phân tử tới gần nhau. Đường đi của đầu kim được hệ thống ghi lại và tạo ra hình ảnh nhờ đó.

Bằng phương pháp này, đội ngũ tại IBM đã vẽ lại hình ảnh của phân tử olympicene và thậm chí “chụp” được hình ảnh của phân tử đang trong trạng thái phản ứng hóa học. Hình vẽ được tạo ra không full HD hay 4K gì, nhưng từng đó là đã đủ để biến một thứ phân tử trên giấy trở thành một hình ảnh chân thực, cho ta thấy về thế giới quanh ta được tạo nên từ những thứ có thể nhỏ bé như thế nào.

Hình ảnh của phân tử Olympicene - hiển nhiên là những vòng tròn kia đã khiến nó có cái tên đó.

Để tạo ra được triangulene, các nhà nghiên cứu IBM đã thu thập phân tử tiền nhiệm của nó từ một nhà hóa học tại Đại học Warwick. Kẻ tiền nhiệm này có thêm hai nguyên tử hydro, trong khi triangulene thì chỉ có electron tự do.

Cũng cùng phương cách mà họ sử dụng với tạo hình phân tử, một bề mặt đồng, một đầu kim vàng có một phân tử carbon monoxide, họ tiến hành xử lý phân tử tiền nhiệm kia. Sử dụng hai xung điện nhỏ và chính xác tuyệt đối, họ đã loại bỏ được hai nguyên tử hydro khỏi phân tử kia và họ đã có đượctriangulên trong tay. Phân tử mới được hình thành này vẫn ổn định trong suốt 4 ngày sau khi thử nghiệm.

“Triangulene là phân tử đầu tiên mà chúng tôi tạo ra được trong khi các nhà hóa học đã cố gắng rất nhiều nhưng không thực hiện được”, giáo sư Gross nói.

Ông tự hào về ngành vật lý đã vượt qua được ngành hóa học, ít ra là với thử nghiệm này nhưng từng đó tự hào là chưa đủ, khi mà triangulene có thể có được những ứng dụng khác nữa.

Khi đội ngũ nghiên cứu thử những thuộc tính từ trường của phân tử này, họ xác nhận được rằng hai electron tự do kia xoay như nhau. Ngoài việc mang điện tích âm, những electron này có thể quay theo bất kì hướng này và vòng quay của chúng có thể được tinh chỉnh. Điều này cho phép ta có thể áp dụng triangulene vào trong máy tính lượng tử.

Mặc dù việc tạo ra triangulene theo phương pháp thủ công khá là tốn thời gian và tốn kém, nhưng với một bước đầu như thế này, chẳng mấy mà ta sẽ có một bước đột phá lớn.

Tham khảo Quartz