Nguyên tố tự nhiên hiếm nhất trên Trái Đất có gì đặc biệt

Tính tới thời điểm hiện tại, con người đã ghi nhận được tổng cộng 118 nguyên tố trong bảng tuần hoàn hóa học. Khá thú vị, không phải ai trong số chúng ta cũng có cơ hội được tiếp xúc với tất cả nguyên tố nói trên. Thay vào đó, khả năng để một ai đó tiếp xúc với vỏn vẹn 5 nguyên tố sẽ cao hơn 9 lần so với 113 nguyên tố còn lại.

Lý do cũng khá đơn giản: Trong số hàng chục nguyên tố được tìm thấy trong lớp vỏ Trái đất, năm nguyên tố gồm ôxy, silic, nhôm, sắt và canxi chiếm tổng cộng hơn 92% . Trên thực tế, gần một nửa số nguyên tử chúng ta tiếp xúc hàng ngày là oxy, khiến nó trở thành nguyên tố phổ biến nhất trên hành tinh.

Ở chiều ngược lại, con người cũng ghi nhận sự tồn tại của astatine - nguyên tố tự nhiên được đánh giá là hiếm nhất trên Trái đất ở thời điểm hiện tại. Theo ước tính, trên khắp bề mặt Trái Đất chỉ tồn tại khoảng 25 gram astatine. Loại nguyên tố này quý hiếm đến mức, các nhà khoa học vẫn chưa biết thông tin cơ bản về nguyên tố này, chẳng hạn như nó trông như thế nào.

Astatine được đặt tên theo từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là "không ổn định". Đây được coi là cái tên mô tả đúng nhất tính chất của nguyên tố này. Nó có tính phóng xạ cực cao, với chu kỳ bán rã chỉ hơn tám giờ ngay cả ở dạng ổn định nhất, được gọi là astatine-210. Điều đó có nghĩa là ngay cả khi bạn may mắn tìm được một lượng astatine nhất định, bạn sẽ chỉ còn giữ lại được khoảng 1/8 số đó sau khoảng 24 giờ. Với phần còn lại, nó sẽ bị thành bismuth-206 hoặc polonium-210.

Với dạng đồng vị không ổn định, astatine có chu kì bán rã là một giây hoặc ít hơn. Ở dạng nguyên tố, mọi thứ thậm chí còn dễ bay hơi hơn: Tính phóng xạ của nó cao đến mức, nếu bạn có đủ khả năng nhìn bằng mắt thường, nó sẽ tự bốc hơi theo đúng nghĩa đen dưới sức nóng của chính nó.

Mặc dù các nhà khoa học có thể xử lý trực tiếp nguyên tố này, nhưng họ chỉ có thể làm điều này bằng cách nhân tạo, tức thông qua các phản ứng hạt nhân – thường bằng cách bắn phá bismuth-209 bằng các hạt alpha.

Do đó, hầu hết những gì chúng ta biết về nguyên tố này đều đến từ lý thuyết hơn là thử nghiệm thực tế. Ví dụ, các nhà khoa học phỏng đoán rằng astatine có thể trông giống như một chất rắn màu đen, bởi vì nó nằm trong nhóm halogen của bảng tuần hoàn. Các halogen trở nên sẫm màu hơn khi chúng trở nên nặng hơn: flo về cơ bản là không màu, clo có màu vàng lục, brom có màu đỏ nâu và iốt có màu tím xám đậm – do đó, theo logic, nguyên tố này là halogen tiếp theo trong danh sách, nên nó phải có màu tối hơn nữa.

Tuy nhiên, phỏng đoán này cũng dẫn tới nhiều tranh luận hơn về astatine, đơn cử như việc nó là kim loại hay halogen. Đây được coi là một câu hỏi gây chia rẽ cho các nhà hóa học, vì astatine cũng nằm dọc theo một đường chéo trong bảng tuần hoàn chứa các á kim như bo và silicon. Trong các phản ứng hóa học, đôi khi nó hoạt động giống như một halogen, trong khi lúc khác lại hoạt động giống như một kim loại, khiến ngay cả các chuyên gia hóa học cũng gặp khó khăn trong việc phân loại.

Mặc dù hiếm đến mức gần như không tồn tại – và gây bối rối đến mức về cơ bản chúng ta không biết gì về nó một cách chắc chắn – astatine hóa ra có thể có một số ứng dụng thực tế khá quan trọng. Khi nguyên tố này phân rã, nó phát ra các hạt α, tức các hạt phóng xạ được hình thành từ sự kết hợp của hai proton và hai neutron. Vì nhiều lý do, chúng thực sự hiệu quả trong việc nhắm mục tiêu là các tế bào ung thư, trong các liệu trình xạ trị.

"Astatine là Goldilocks của các nguồn phát α", Mehran Makvandi, bác sĩ chuyên khoa X quang tại trường Y khoa thuộc Đại học Pennsylvania (Mỹ) nhận định về astatine.

Goldilocks ở đây là một khái niệm được đặt theo tên của một cô bé trong chuyện thiếu nhi "Ba chú gấu". Khi nếm thử ba bát cháo khác nhau, cô bé Goldilocks thích cháo không quá nóng cũng không quá lạnh mà có nhiệt độ vừa phải..

Hiểu một cách đơn giản, astatine ở đây sở hữu một 'sức mạnh'vừa đủ. Nó phát ra ít hạt α hơn các đồng vị khác như actinium-225. Điều đó làm cho astatine kém mạnh hơn, nhưng bù lại nó lại có lợi thế về lượng phát xạ.

Astatine có chu kỳ bán rã cực kỳ ngắn, nghĩa là nó sẽ không tồn tại trong một thời gian dài. Điều quan trọng là nó chỉ phát ra các hạt α – loại ít gây hại nhất trong các loại bức xạ khác nhau.

Nếu các nhà khoa học có thể gắn các đồng vị astatine vào các phân tử nhắm mục tiêu là các tế bào ung thư, thì họ có thể tạo ra một phương pháp điều trị chống ung thư có thể cắt xuyên qua DNA của tế bào ung thư và để lại các mô xung quanh ở trạng thái tương đối bình thường. Theo đó, không có phương pháp điều trị ung thư tiềm năng khác có thể đạt được hiệu quả nhắm mục tiêu tương tự nếu astatine được sử dụng, theo theo chuyên gia Makvandi.

Tất nhiên, phương pháp này vẫn còn có nhiều rào cản để phát triển. Trước hết, các nhà nghiên cứu cần phải có cơ hội được nghiên cứu trực tiếp astatine. Đây được coi là nhiệm vụ không hề dễ dàng, khi astatine rất hiếm và không ổn định.

Đó có thể là lý do tại sao nguyên tố này vẫn được liệt kê chính thức là không có vai trò sinh học hoặc công dụng nào ngoài việc phục vụ nghiên cứu.

Ở một góc nhìn khác, việc con người chưa hiểu rõ về astatine có thể coi là một điều tốt. Suy cho cùng, nếu chúng ta biết nó thực sự quan trọng, thì có lẽ chúng ta sẽ cần nhiều hơn 25 gam astatine đang tồn tại trên Trái Đất.

Tham khảo IFL Science