Mỹ chạy đua với Nga và Trung Quốc trong việc tìm nguyên tố nặng nhất

Trong một kỳ tích của thuật giả kim hiện đại, các nhà khoa học đã sử dụng một chùm tia titan ở thể khí để tạo ra một trong những nguyên tố nặng nhất trên Trái đất. Thậm chí, họ còn nghĩ rằng phương pháp mới này có thể mở đường cho việc tạo ra những nguyên tố nặng hơn.

Đây là lần đầu tiên họ áp dụng một kỹ thuật mới. Trong đó, các nhà khoa học đã nung nóng một khối đồng vị hiếm titan-50 đến gần 1.650 °C để giải phóng các ion rồi phóng vào một nguyên tố khác để từ đó tạo ra thành công một nguyên tố siêu nặng, livermorium.

Livermorium lần đầu tiên được tổng hợp vào năm 2000 và nó không phải là nguyên tố nặng nhất mà con người đã tạo ra. Kỷ lục hiện giờ là oganesson, với nguyên tử có hạt nhân chứa đến 118 proton, tương ứng với việc xếp thứ 118 trên bảng tuần hoàn.

Những người thuộc lòng bảng tuần hoàn có thể hỏi: Vậy thì việc gì phải chú ý một vài nguyên tử livermorium mới xuất hiện tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley? Livermorium dẫu sao cũng đã được khai sinh từ đầu thiên niên kỷ và chỉ có 116 proton.

Nhưng việc kết hợp một chùm tia titan với plutonium để tạo ra livermorium mới là điều kỳ diệu. Lần thử nghiệm trong việc tạo ra livermorium theo cách trên hứa hẹn sẽ cho ra đời những thứ nguyên tố mới hơn (hay đúng hơn là nặng hơn). Các nhà khoa học hy vọng sẽ tạo ra một nguyên tố nặng nhất từng được tạo ra: unbinilium, với 120 proton.

Nhà hóa học hạt nhân Jacklyn Gates thuộc Phòng thí nghiệm Berkeley, người chỉ huy nghiên cứu, cho biết: "Phản ứng này chưa từng được chứng minh trước đây và điều cần thiết là phải chứng minh được rằng nó có thể xảy ra trước khi bắt đầu nỗ lực tạo ra 120 proton".

Chùm tia của đồng vị Canxi-48, với 20 proton được các nhà khoa học sử dụng, vì 'con số kỳ diệu' proton và neutron khiến nó ổn định hơn, giúp nó dễ kết hợp với nguyên tố là mục tiêu bắn phá.

Đồng vị Titan-50 không phải chứa 'con số kỳ diệu', nhưng hạt nhân nó có 22 proton cần thiết để tạo được những nguyên tố có nguyên tử khối nặng hơn trong phản ứng tổng hợp hạt nhân, nhưng Titan-50 cũng không quá nặng đến mức nó bị vỡ ra khi va chạm với nguyên tử của mục tiêu.

Nhà vật lý Jennifer Pore thuộc Phòng thí nghiệm Berkeley giải thích: "Đó là bước quan trọng đầu tiên để cố gắng tạo ra thứ gì đó dễ hơn một chút so với việc tạo ra một nguyên tố mới, đồng thời để xem cách chuyển từ việc phóng chùm canxi sang phóng chùm titan sẽ thay đổi tốc độ tạo ra các nguyên tố mới như thế nào".

"Việc tạo ra nguyên tố 116 (livermorium) bằng chùm titan đã xác nhận rằng phương pháp này hiệu quả và giờ chúng ta có thể lên kế hoạch săn tìm nguyên tố 120 (unbinilium)".

Nhóm nghiên cứu đã mất 22 ngày làm việc trên máy gia tốc cyclotron 88 inch của Phòng thí nghiệm Berkeley. Máy gia tốc đã giúp tăng tốc các ion nặng của titan thành một chùm đủ mạnh để tạo ra phản ứng tổng hợp hạt nhân với mục tiêu mà nó bắn phá. Sau tất cả những chờ đợi, kết quả chỉ tạo ra hai nguyên tử livermorium ít ỏi.

Việc tạo ra unbinilium bằng phương pháp này, bằng cách bắn chùm tia (titan) vào thanh đồng vị californium-249, được cho là nhanh hơn nhiều so với các phương pháp trước đây. Thế nhưng, chặng đường giành được kết quả như kỳ vọng vẫn sẽ là một quá trình khó khăn.

Nhà vật lý hạt nhân Reiner Kruecken thuộc Phòng thí nghiệm Berkeley dự đoán: "Chúng tôi nghĩ rằng so với việc tạo ra nguyên tố thứ 116, việc tạo ra nguyên tố thứ 120 sẽ mất nhiều thời gian hơn khoảng 10 lần".

Sự kiện này cũng hâm nóng sự trở lại của cuộc đua tìm kiếm nguyên tố siêu nặng đối với Phòng thí nghiệm Berkeley thuộc Bộ Năng lượng Mỹ, một đơn vị đi đầu trong việc khám phá nguyên tố mới trong thế kỷ 20.

Các nhà khoa học trên khắp thế giới đã tham gia vào cuộc đua tạo unbinilium ngay từ năm 2006, khi một nhóm nghiên cứu người Nga tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Liên hợp thực hiện nỗ lực đầu tiên. Các nhà khoa học tại Trung tâm Nghiên cứu Ion Nặng Helmholtz thuộc GSI ở Đức đã thực hiện một số nỗ lực từ năm 2007 đến năm 2012, nhưng không thành công.

Giờ đây, khi các nhà nghiên cứu từ Mỹ, Trung Quốc và Nga đang tham gia cuộc đua, thì người ta phải tự hỏi cuộc đua như vậy có thể giúp gì trong tương lai.

Nhà vật lý hạt nhân Witold Nazarewicz, người không tham gia vào nghiên cứu, cho rằng: "Việc Mỹ quay trở lại cuộc đua này thực sự đáng chú ý, vì các nguyên tố siêu nặng rất quan trọng về mặt khoa học".

Theo lý thuyết, nguyên tố 120 nằm gần 'đảo ổn định', một thiên đường cho các nguyên tố siêu nặng với chu kỳ bán rã dài hơn, nhờ 'con số kỳ diệu' của proton và neutron.

Những nguyên tố siêu nặng ổn định, tồn tại lâu dài này được kỳ vọng sẽ mang đến cho các nhà khoa học cơ hội nghiên cứu các cực điểm của hành vi nguyên tử, thử nghiệm các mô hình vật lý hạt nhân và lập biểu đồ giới hạn của hạt nhân nguyên tử. Nói tóm lại, nguyên tố 120 sẽ giúp vật lý hạt nhân mở ra một chân trời mới.

Hơn nữa, bản chất của con người là luôn tìm hiều những giới hạn xa nhất trong tự nhiên, chẳng hạn như việc đi tìm số nguyên tố lớn nhất hay số Pi dài nhất vẫn đang được tiến hành dù không biết những con số mới có ý nghĩa gì.