SHRIMP: Cỗ máy thời gian đưa các nhà khoa học địa chất trở về quá khứ xa xôi

Mẫu vật rất nhỏ (cỡ một lớp phim vi mô) nhưng cũng đủ để xác định niên đại của miệng núi lửa Mặt Trăng mà nó được lấy từ đó.

Dựa trên những kết quả này, các nhà khoa học Trung Quốc cùng các đồng nghiệp từ Úc, Anh, Thụy Điển và Mỹ đã xác nhận rằng hoạt động núi lửa vẫn tiếp tục trên Mặt trăng muộn hơn 1 tỉ năm so với những gì được biết trước đây.

Nhóm nghiên cứu đã có thể xác định niên đại của mẫu vật nhờ công nghệ SHRIMP, thiết bị phát triển ở Úc và được coi là tiêu chuẩn vàng trong việc xác định niên đại đá.

Trung Quốc có 2 trong tổng số 20 SHRIMP trên thế giới. Giờ đây, nhóm của Liu Dunyi đặt mục tiêu cải tiến công nghệ và chế tạo các công cụ riêng để tránh rủi ro bị nước ngoài kiểm soát xuất khẩu.

Liu Dunyi hy vọng dự án sẽ khuyến khích nhiều nhà nghiên cứu chế tạo các thiết bị khoa học của riêng họ.

SHRIMP là một trong những máy tiên tiến nhất để phân tích các đồng vị trong vật liệu địa chất. Nó có thể đo tuổi chính xác ở các vùng nhỏ và khoáng chất cụ thể trong đá. Các phần khác nhau của đá có thể được hình thành tại những thời điểm khác nhau.

SHRIMP cũng thực hiện công việc mà không làm nhiễm bẩn mẫu và không cần một lượng lớn vật liệu mẫu.

Trung tâm SHRIMP Bắc Kinh cho biết dữ liệu xác định tuổi chính xác là chìa khóa cho hơn 90% nghiên cứu địa chất và SHRIMP có ảnh hưởng tích cực đến sự phát triển nghiên cứu về lịch sử Trái đất tại Trung Quốc, giúp các nhà khoa học nhanh chóng đạt được những kết quả đáng kể trong lĩnh vực này.

Liu Dunyi, Giám đốc sáng lập Trung tâm SHRIMP Bắc Kinh, nói việc xác định độ tuổi là điều cần thiết để tái tạo lại dòng thời gian tiến hóa của hành tinh. Ông lần đầu biết đến công nghệ SHRIMP khi là học giả thỉnh giảng tại Đại học Quốc gia Úc vào năm 1980.

SHRIMP được phát triển bởi Giáo sư Bill Compston (Đại học Quốc gia Úc), người giám sát nghiên cứu của Liu Dunyi, cùng các đồng nghiệp. Họ sử dụng thiết bị này vào đầu những năm 1980 để xác định mẫu khoáng chất lâu đời nhất trên thế giới lúc đó, hình thành cách đây 4,1 tỉ năm.

Năm 1992, Liu Dunyi, Bill Compston và các đồng nghiệp đã công bố bản đánh giá SHRIMP của họ về các tàn tích vỏ Trái đất ở khu vực An Sơn, phía đông bắc Trung Quốc. Những mẫu đó có niên đại hơn 3,8 tỉ năm, trở thành đá lâu đời nhất được biết đến ở nước này.

Với chiều dài 7 mét, SHRIMP rất lớn. Nhìn tổng thể, các bộ phận phân tích của máy tạo thành đường cong nhẹ trông giống con tôm đang cuộn tròn.

Máy chủ yếu phân tích zircon, vật liệu lý tưởng để xác định niên đại vì thường được tìm thấy trong đá, bền và có điểm nóng chảy cao. Zircon có thể tồn tại sau các sự kiện như phun trào núi lửa và ghi lại thông tin về dung nham mà nó phát triển trong đó, tạo thành các mẫu tương tự như vòng thân cây.

Zircon cũng hấp thụ nguyên tố phóng xạ uranium và thorium khi kết tinh, hai nguyên tố dần dần phân rã thành chì theo thời gian. Các đá cổ có nồng độ uranium thấp và nồng độ chì phóng xạ cao. Ngược lại, các đá tuổi đời thấp có nồng độ uranium cao và nồng độ chì phóng xạ thấp hơn.

SHRIMP chiếu một chùm ion lên bề mặt mẫu, đẩy các ion tích điện dương trong zircon “phun trào”. Dựa trên số lượng ion được phát hiện, SHRIMP xác định tỷ lệ đồng vị của các nguyên tố và tiết lộ thời gian đã trôi qua kể từ khi zircon hình thành.

Liu Dunyi cho biết: “Cỗ máy này đã giải được rất nhiều câu đố cho các nhà khoa học địa chất và tăng tốc nỗ lực thiết lập niên đại của lịch sử địa chất”.

“Tôi muốn khám phá các mẫu bằng SHRIMP khi chứng kiến sự ra đời của nó vào những năm 1980. Giáo sư Bill Compston và tôi đã nhất trí rằng tôi có thể sử dụng máy ở Úc khi có được các mẫu quan trọng”, Liu Dunyi kể lại.

Wang Chen, Phó giám đốc Trung tâm SHRIMP Bắc Kinh, cho biết các mẫu đã chuẩn bị có thể được tái sử dụng nhiều lần dưới SHRIMP và không cần được xử lý hoá học, tránh gây tổn hại cho mẫu.

“Chùm ion chỉ chiếu vào mẫu ở độ sâu từ 2 đến 3 micromet, giữ cho các mẫu gần như nguyên vẹn. Sau khi đánh bóng nhẹ nhàng, nó có thể được sử dụng lại cho các phân tích khác”, Wang Chen chia sẻ.

Liu Dunyi nói ông bắt đầu thúc giục chính phủ Trung Quốc mua một trong những chiếc máy này từ năm 1983. “Nhưng tôi biết rằng không dễ để đất nước đang phát triển vào thời điểm đó đầu tư vào một thiết bị đắt tiền như vậy”, ông nói. Ngày nay, SHRIMP có giá 35 triệu nhân dân tệ (5 triệu USD).

Cơ hội đến 1 thập kỷ sau, khi một quan chức Trung Quốc từ Bộ khoa học đến thăm Đại học Quốc gia Úc và thấy một số viện địa phương chia sẻ chi phí mua SHRIMP cùng quyền sử dụng nó để tiết kiệm chi phí cho từng bên.

Quan chức này quyết định rằng Trung Quốc sẽ vận chuyển SHRIMP về nước.

"Kể từ khi hai máy được lắp đặt vào năm 2001 và 2013, phòng thí nghiệm của chúng tôi đã tuân thủ nghiêm ngặt nguyên tắc truy cập mở mà chúng tôi cam kết", Liu Dunyi nói.

Nguyên tắc truy cập mở cho phép mọi người có thể truy cập, sử dụng và tái sử dụng các kết quả nghiên cứu một cách miễn phí và không giới hạn. Nguyên tắc này được áp dụng rộng rãi trong cộng đồng nghiên cứu khoa học để đảm bảo rằng các nghiên cứu có thể được sử dụng và phát triển một cách minh bạch, hiệu quả.

“Các nhà nghiên cứu của chúng tôi sử dụng các SHRIMP khoảng 30% tổng thời gian hoạt động của chúng. Những giờ còn lại dành cho các nhà khoa học trên khắp đất nước và thế giới, có thể điều khiển từ xa các máy ở Bắc Kinh từ phòng thí nghiệm của họ”, Liu Dunyi cho hay.

Các nhà nghiên cứu của Trung tâm SHRIMP Bắc Kinh cũng làm việc với các đồng nghiệp quốc tế để mở rộng công việc ra ngoài Trái đất, gồm cả các nhà khoa học Mỹ tìm cách xác định niên đại cho các mẫu đá trên Mặt trăng từ sứ mệnh Apollo từ năm 1969 đến 1972.

Vào năm 2012, nhóm quốc tế đã công bố những phát hiện dựa trên các mẫu từ tàu Apollo 12 cho thấy tác động của Imbrium hình thành nên một lưu vực lớn trên Mặt trăng diễn ra cách đây 3,92 tỉ năm, sớm hơn so với tuổi thường được trích dẫn lúc bấy giờ là 3,85 tỉ năm.

Họ viết trong một tạp chí bình duyệt rằng độ tuổi được xác định trước đó bằng các phương pháp khác nên được sửa đổi.

Kể từ năm 2006, Trung tâm SHRIMP Bắc Kinh cũng thực hiện sứ mệnh phát triển các công cụ và công nghệ khoa học để xác định niên đại của đá trong nước với các viện nghiên cứu địa phương. Nhóm nghiên cứu tin tưởng rằng SHRIMP đầu tiên do Trung Quốc sản xuất với các kỹ thuật xác định niên đại tinh vi có thể sớm được tung ra thị trường.

Các bên cộng tác với Trung tâm SHRIMP Bắc Kinh bao gồm Viện Đo lường Quốc gia, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Viện Vật lý Hóa học Đại Liên, Đại học Dân tộc Đại Liên và Đại học Cát Lâm, Đại học Phúc Đán.

“Một phòng thí nghiệm thành công phải có khả năng đổi mới. Nếu không thể tạo ra các công nghệ mới, chúng ta khó có thể đứng ở vị trí hàng đầu trong khoa học”, Liu Dunyi nhấn mạnh. Ông nói thêm rằng việc có thể phát triển và sử dụng công nghệ trực tiếp đưa các nhà khoa học Trung Quốc vượt lên trên các đồng nghiệp quốc tế của họ.

“Lấy SHRIMP làm ví dụ. Chúng tôi chỉ có thể bắt đầu sử dụng máy ở Trung Quốc nhiều năm sau khi nó có mặt trên thị trường. Các nhà phát triển SHRIMP đã bắt đầu sử dụng nó để nghiên cứu gần hai thập kỷ trước chúng tôi”, ông lý giải.

Khi Trung Quốc tăng chi tiêu cho nghiên cứu cơ bản, Liu Dunyi hy vọng rằng các nhà khoa học sẽ nhận được nhiều hỗ trợ tài chính hơn từ chính phủ để tài trợ cho các thí nghiệm trial and error nhằm phát triển các thiết bị mới có thể đắt tiền.

Thí nghiệm trial and error là phương pháp tìm kiếm giải pháp cho một vấn đề bằng cách liên tục thử các phương án khác nhau cho đến khi tìm ra giải pháp hợp lý hoặc đạt được kết quả mong muốn. Phương pháp này thường được sử dụng trong các vấn đề có tính chất không chắc chắn, không có quy luật rõ ràng, hoặc không có giải pháp chắc chắn.

Ông cũng kêu gọi áp dụng chính sách cho phép những nhà nghiên cứu liên kết với các viện khoa học làm việc trong các doanh nghiệp tách ra từ các đơn vị nghiên cứu chuyên thương mại hóa thiết bị khoa học.

“Tôi hy vọng rằng các nhà khoa học Trung Quốc sẽ có thể chế tạo các công cụ khoa học của riêng chúng tôi, phù hợp với tầm nhìn của đất nước là trở nên tự chủ về khoa học”, Liu Dunyi nói.