Các nhà khoa học vừa thành công tạo lập và quan sát một liên kết đơn electron giữa hai nguyên tử carbon, mở ra một cánh cửa mới trong việc hiểu về hóa học nguyên tử. Trong khi một “liên kết đơn” truyền thống thực chất là hai electron – một từ mỗi nguyên tử – thì trong nghiên cứu này, chỉ có một electron tham gia vào liên kết.
Mục lục bài viết
Liên kết đơn electron – một thách thức đầy sáng tạo
Để tạo ra một liên kết đơn electron, các nhà khoa học phải vượt qua rất nhiều thách thức và áp dụng tư duy sáng tạo ngoài khuôn khổ thông thường. Họ đã phát triển một phân tử phức tạp hoạt động như một lớp vỏ bảo vệ, giúp duy trì sự ổn định cho liên kết mong manh này.
Carbon, như nhiều người biết, là một nguyên tố đặc biệt. Từ sự phổ biến đến tính linh hoạt, carbon thậm chí còn có một nhánh hóa học riêng gọi là hóa học carbon.
Carbon có thể hình thành các chuỗi dài chỉ bằng các nguyên tử của nó, và có hơn một tá dạng thù hình (cấu trúc chỉ chứa carbon), trong khi những nguyên tố khác, chẳng hạn như oxy, chỉ có vài dạng.
Một số dạng thù hình nổi tiếng của carbon bao gồm graphene, kim cương, và buckyball – tên gọi khá thú vị của một loại phân tử carbon hình cầu (nghe như pickleball 🙃🙃🙃).
Và bây giờ, carbon lại có thêm một bước tiến mới khi các nhà khoa học lần đầu tiên quan sát được liên kết đơn electron giữa hai nguyên tử carbon, một khám phá đã được mong đợi từ cả thế kỷ qua.
Giấc mơ liên kết đơn electron từ trăm năm trước nay đã thành hiện thực
Nghiên cứu mới nhất này, được công bố trên tạp chí Nature, là thành quả của bốn nhà khoa học đến từ Đại học Hokkaido, Nhật Bản.
Đây là một hành trình dài mà bắt đầu từ năm 1931 khi nhà hóa học Linus Pauling đã viết trên tạp chí Journal of the American Chemical Society rằng ông tin là có thể có một cặp nguyên tử carbon với liên kết chỉ chứa một electron thay vì liên kết đơn chuẩn chứa hai electron.
Pauling mô tả các liên kết này là “không quan trọng bằng liên kết đôi electron,” nhưng lại có giá trị đặc biệt vì những tính chất kỳ lạ và khó hiểu của chúng.
Vào thời điểm đó, Pauling và các nhà khoa học khác tin rằng chỉ có một số ít hợp chất có thể chứa những liên kết này. Thuyết electron vẫn còn mới mẻ, và khoa học về nguyên tử mới chỉ bắt đầu.
Khi cơ học lượng tử dần nổi lên và làm thay đổi thế giới khoa học, nhiều kiến thức về các nguyên tử và phân tử cũng theo đó mà phát triển.
Liên kết đơn electron trong bối cảnh hiện tại
Từ thời của Pauling đến nay, khoa học đã hiểu rõ hơn nhiều về cách các nguyên tử và phân tử hoạt động.
Ví dụ, ba loại liên kết chính giữa các nguyên tử là liên kết đơn, liên kết đôi và liên kết ba. Mỗi liên kết đơn chứa hai electron – một từ mỗi nguyên tử.
Liên kết đôi có bốn electron, và liên kết ba có sáu electron. Liên kết đơn là yếu nhất trong ba loại này, nhưng vẫn đủ bền trong hầu hết các trường hợp.
Một liên kết đơn electron giống như việc bắt tay chỉ bằng một tay, thay vì hai tay chắc chắn hơn như trong liên kết đơn chuẩn với hai electron. Điều này làm cho liên kết đơn electron rất mong manh và dễ dàng bị phá vỡ.
Nhóm nghiên cứu do Takuya Shimajiri dẫn đầu đã nhấn mạnh rằng mục tiêu của họ là làm rõ khái niệm liên kết cộng hóa trị.
Cụ thể là xác định như thế nào thì một liên kết được coi là cộng hóa trị, và như thế nào thì không. Liên kết đơn electron có thực sự là một liên kết, hay chỉ là một giai đoạn chuyển tiếp trước khi liên kết có thêm electron thứ hai?
>>>> Tìm hiểu về thống kê cho khoa học dữ liệu không còn khó
Cấu trúc phân tử và kỹ thuật tiên tiến
Để ổn định phản ứng hóa học đầy phức tạp này, nhóm nghiên cứu đã phải xây dựng một phân tử phức tạp giúp duy trì sự mong manh của liên kết.
Họ đã sử dụng các dẫn xuất của hexaphenylethane – một hợp chất carbon được giả thuyết từ lâu – để cấu trúc thí nghiệm.
Phân tử phức tạp này sẽ phân hủy và tạo ra một “vỏ bọc”, trong đó các nguyên tử carbon sẽ được giữ lại, cho phép hình thành một liên kết phức tạp mà không cần phải tự duy trì. Từ đó, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật tia X chuyên dụng để quan sát liên kết này, xác nhận các dự đoán tính toán của họ.
Pauling – một con người thiên tài
Khi Linus Pauling viết về liên kết này vào năm 1931, ông nghĩ rằng nó tồn tại và có thể được tìm thấy. Ông sống thêm 53 năm nữa – thời gian đó ông giành hai giải Nobel (một giải Hòa bình và một giải Hóa học), khiến ông trở thành người duy nhất giành hai giải Nobel đơn độc.
Tuy nhiên, ông chưa bao giờ chứng kiến dự đoán của mình trở thành hiện thực.
Nếu Pauling còn sống đến hôm nay, hẳn ông sẽ rất vui mừng khi các nhà khoa học cuối cùng đã cô lập và quan sát được liên kết mà ông từng dự đoán từ thời kỳ đầu của sự nghiệp.
Thực tế thì tác động của khám phá này đối với các vật liệu nano, vốn đã phụ thuộc nhiều vào carbon graphene với hình dạng tấm và ống nano carbon, có thể cần thêm 100 năm nữa để hiện thực hóa đầy đủ. Nhưng không thể phủ nhận rằng carbon lại tiếp tục làm chúng ta kinh ngạc.
