Video đầu tiên quay lại cảnh hai nguyên tử liên kết với nhau, thì ra cả vũ trụ đã hình thành như thế này đây

Nếu các nguyên tử không liên kết với nhau, mọi thứ trong vũ trụ sẽ không thể tồn tại. Mặt Trời, Trái Đất, động vật, thực vật và cả con người chúng ta - tất cả đều khởi nguồn từ một quá trình hóa học duy nhất: Đó là khi hai nguyên tử liên kết với nhau để tạo thành mọi thứ mà chúng ta gọi là "vật chất".

Thế nhưng, một sự thật phũ phàng là cho tới gần đây, chưa từng có ai quan sát tận mắt thấy quá trình hai nguyên tử liên kết lại với nhau. Ngay cả các nhà vật lý với những thấu kính hiển vi hiện đại nhất cũng bất lực trong việc ghi lại khoảnh khắc xảy ra trên quy mô 0,2 nm này. Để hình dung, đó là một kích thước nhỏ hơn nửa triệu lần so với đường kính sợi tóc người.

Phải cho tới tận hôm nay, một nghiên cứu trên tạp chí Science Advances mới lần đầu tiên công bố một đoạn video ngắn ghi lại khoảnh khắc lịch sử đó. Các nhà khoa học cho biết họ đã sử dụng một hệ kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quay lại quá trình hai nguyên tử liên kết với nhau trong thời gian thực.

Và đây là khoảnh khắc kỳ diệu, khi hai nguyên tử chơi trò chơi đuổi bắt rồi ôm chầm lấy nhau:

Quay phim các nguyên tử trong thời gian thực

Đoạn video dài 18 giây cho thấy cảnh hai nguyên tử đang nhảy múa cùng nhau trong một ống carbon rỗng. Nhưng dần dần, chúng càng tiến sát lại gần nhau hơn, trước khi hai đốm nhỏ đột nhiên hợp nhất thành một.

Quay cuồng trong vũ điệu của mình, phân tử hợp nhất liên tục biến dạng, nhảy nhót qua các góc khác nhau cho đến khi liên kết bị phá vỡ, các nguyên tử lại tách rời ra xa. 

Nhưng sợi dây gắn kết giữa chúng dường như không thể bị đứt lìa. Chỉ sau một khoảnh khắc tách rời, hai nguyên tử lại kết hợp trở lại một lần nữa. Chúng liên tục tách ra rồi lại hợp nhất trong vũ điệu sinh động của mình.

Quay lại được cảnh các nguyên tử liên kết với nhau là một kỳ công khoa học mà trước đây chưa ai từng có thể thực hiện được. Để có được đột phá này, các nhà khoa học đã phải nhốt một cặp nguyên tử rhenium - một nguyên tố kim loại nặng - trong các ống nano carbon vô cùng hẹp. 

Những ống carbon này có đường kính xuống tới quy mô phân tử, chỉ rộng khoảng 1-2nm. Chúng đóng vai trò như một ống nghiệm thu nhỏ và cũng là phim trường cho các nguyên tử thể hiện vai diễn của mình.

Toàn bộ quá trình được quay phim lại dưới một ống kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Đó là một kỹ thuật sử dụng chùm tia electron năng lượng cao bắn xuyên qua mẫu vật, và thu hồi tất cả các electron đâm xuyên, phản xạ hoặc tán xạ từ mẫu vật để tái tạo hình ảnh.

"Theo hiểu biết của chúng tôi, đây là lần đầu tiên các quá trình nguyên tử quay lượn, tách rời và hình thành [phân tử] được quay phim lại", giáo sư Andrei Khlobystov đến từ Đại học Nottingham, và là một trong những tác giả chính của nghiên cứu cho biết.

Hai nguyên tử rhenium được thả vào một ống nano carbon để cùng nhau "nhảy múa".

Tại sao các nguyên tử phải liên kết với nhau?

Chúng ta biết rằng các nguyên tử khó có thể đứng một mình trong vũ trụ. Ngay cả các phân tử nhẹ nhất là không khí, chúng cũng phải liên kết các nguyên tử lại với nhau để tạo thành phân tử. 

Khi một nguyên tử oxy (O) đứng một mình, nó sẽ phải tìm đến kết cặp với một nguyên tử oxy khác để tạo thành phân tử oxy (O₂), hoặc một phân tử oxy để tạo thành ozone (O₃), hoặc với bất kỳ hợp chất nào khác để tạo thành oxyt.

Các nguyên tử bắt buộc phải liên kết với nhau để tăng tính ổn định và giảm năng lượng của bản thân chúng. Các nguyên tử đứng một mình luôn ở trạng thái năng lượng cao nên khó tồn tại bền vững. Một nguyên tử tích điện dương khi đó sẽ muốn tìm một nguyên tử tích điện âm hoặc ngược lại để tạo thành một phân tử ổn định hơn với những tính chất độc đáo.

Nhưng để có thể liên kết, các nguyên tử trước tiên phải chia sẻ các electron và đạt được sự cân bằng giữa lực kéo dương và âm được tạo ra bởi hạt nhân và electron của chúng.

Như đoạn video được quay lại đã cho thấy, khi hai nguyên tử liên kết với nhau, chúng đã cùng đi dọc theo hành lang hẹp của chiếc ống nghiệm carbon. Tuy nhiên, tại một số thời điểm, liên kết của chúng vẫn gián đoạn khi chiều dài của nó vượt quá kích thước của các nguyên tử.

Liên kết giữa các nguyên tử thay đổi khi môi trường xung quanh chúng thay đổi. Trong trường hợp này, nó trở nên yếu hơn khi các nguyên tử di chuyển theo cặp dọc xuống ống nano, các nhà nghiên cứu viết.

Hai nguyên tử khi đó sẽ tách rời và trở nên độc lập một lần nữa, nhưng sau đó chúng lại được kéo về với nhau và tái hình thành phân tử. 

Đây là lần đầu tiên các quá trình nguyên tử quay lượn, tách rời và gắn kết được quay phim lại.

Đối với chúng ta mà nói, việc các nguyên tử kết cặp với nhau là một điều tốt. Bởi nó sẽ giúp hạn chế năng lượng mà chúng gây ra và tác động lên sự sống xung quanh.

Ở ngoài không gian, khi các phân tử thường bị tia vũ trụ chia tách, nhiều phản ứng sẽ xảy ra hết sức mãnh liệt, điển hình là oxy nguyên tử ăn mòn các vỏ tàu không gian, dần dần khiến chúng hỏng hóc và biến thành những khối rác vũ trụ không hơn không kém.

Tham khảo Inverse