Thứ kim loại ngoài hành tinh này có thể giúp chúng ta giải quyết 'cơn khát' đất hiếm

Đất hiếm là nguyên tố được thiết lập để chiếm vị trí trung tâm trong "cuộc cách mạng xanh" và chúng góp phần vào việc sản xuất nam châm hiệu suất cao được sử dụng trong cơ sở hạ tầng tái tạo như tua-bin gió, thiết bị công nghệ cao và ô tô điện.

Tuy nhiên, để có được thứ nguyên liệu được nhiều quốc gia săn lùng này không phải lúc nào cũng dễ dàng. May mắn thay, ở thời điểm hiện tại chúng ta có thể tìm kiếm giải pháp thay thế từ bên ngoài không gian.

Bất chấp tên gọi của chúng, kim loại đất hiếm không thực sự hiếm mà chúng nằm rải rác trên lớp vỏ Trái Đất với nồng độ tương đối thấp. Do đó, việc khai thác có thể phức tạp và kéo theo những mối nguy hiểm về môi trường.

Như hiện tại, Trung Quốc là nơi thống trị thị trường đất hiếm, chiếm khoảng 81% nguồn đất hiếm trên toàn thế giới vào năm 2017. Họ đã và đang cân nhắc khả năng cấm xuất khẩu đối với kim loại đất hiếm vì một vài lý do, điều này đồng nghĩa với tương lai nguồn cung của họ đến một số khu vực là không chắc chắn.

Hoa Kỳ và các nơi khác trên thế giới cũng đang tìm cách cạnh tranh với quốc gia này. Chẳng hạn, California có mỏ Mountain Pass, cơ sở khai thác và chế biến đất hiếm duy nhất ở Mỹ. Tuy nhiên, ngày càng có nhiều sự quan tâm đến các lựa chọn thay thế.

"Các mỏ đất hiếm tồn tại ở nhiều nơi khác, nhưng hoạt động khai thác rất gián đoạn: bạn phải khai thác một lượng lớn vật liệu để có được một khối lượng rất nhỏ đất hiếm. Giữa các tác động môi trường và sự phụ thuộc nặng nề vào Trung Quốc, chúng tôi đang khẩn trương tìm kiếm các vật liệu thay thế đất hiếm", Giáo sư Lindsay Greer, từ Khoa Khoa học Vật liệu & Luyện kim của Đại học Cambridge, cho biết trong một tuyên bố vào tháng 10 năm 2022.

Trên thực tế, Giáo sư Greer và nhóm của bà đã tình cờ tìm ra một câu trả lời khả dĩ: tetrataenite, một hợp kim sắt-niken chứa nhiều đặc tính từ tính giống như kim loại đất hiếm. Tuy nhiên, cho đến gần đây, vẫn còn một trở ngại lớn trong việc sử dụng khoáng chất vũ trụ này. Tetrataenite được tìm thấy trong các thiên thạch rơi từ không gian. Đặc tính của nó là do cấu trúc nguyên tử hình thành qua hàng triệu năm khi thiên thạch nguội dần.

Vào những năm 1960, các nhà khoa học đã có thể tạo ra tetrataenite nhân tạo bằng cách cho nổ hợp kim sắt-niken với neutron, nhưng kỹ thuật này phức tạp và tốn kém, không phù hợp để sản xuất hàng loạt.

Sau đó, vào năm 2022, một bước đột phá đã xảy ra. Các nhà khoa học tại Đại học Cambridge do Giáo sư Greer đứng đầu đã tìm ra một cách cực kỳ đơn giản để sản xuất hàng loạt tetrataenite.

Họ đang nghiên cứu các hợp kim sắt-niken và phát hiện ra rằng phốt pho, một nguyên tố cũng được tìm thấy trong thiên thạch, giúp các nguyên tử sắt và niken chuyển động nhanh hơn. Điều này cho phép các nguyên tử hình thành thành khối có trật tự phức tạp mà không cần phải chờ hàng triệu năm. Theo nghiên cứu của họ, sự kết hợp phù hợp giữa sắt, niken và phốt pho đã thúc đẩy sự hình thành tetrataenite từ 11 đến 15 bậc độ lớn.

Greer nói: "Điều đáng kinh ngạc là không cần xử lý đặc biệt: chúng tôi chỉ nấu chảy hợp kim, đổ vào khuôn và chúng tôi đã có tetrataenite". "Quan điểm trước đây trong lĩnh vực này là bạn không thể có được tetrataenite trừ khi bạn làm điều gì đó cực đoan, bởi vì nếu không, bạn sẽ phải đợi hàng triệu năm để nó hình thành. Kết quả này thể hiện sự thay đổi hoàn toàn trong cách chúng tôi nghĩ về vật liệu này".

Vẫn còn những câu hỏi về việc liệu quy trình này có thể được sử dụng để tạo ra tetrataenite có cùng chất lượng từ tính cần thiết cho việc phát triển cơ sở hạ tầng tái tạo hay không. Tuy nhiên, khám phá tình cờ này cho thấy rằng các giải pháp thường có thể nảy sinh một cách bất ngờ.