Sau gần 70 năm, chúng ta cuối cùng cũng giải mã được nguyên tố bí ẩn bậc nhất trong bảng tuần hoàn

Trong suốt 70 năm, các đồng vị của einsteinium đã được chứng minh là rất khó nghiên cứu. Hoặc chúng quá khó để tạo ra, hoặc chúng có chu kỳ bán rã cực nhanh.

Các nhà khoa học mới đây đã nghiên cứu thành công einsteinium - một trong những nguyên tố khó nắm bắt nhất và nặng nhất trong bảng tuần hoàn - lần đầu tiên sau nhiều thập kỷ. Thành tựu này đưa các nhà hóa học đến gần hơn với việc khám phá ra cái gọi là "hòn đảo ổn định" – thuật ngữ nhằm miêu tả một khu vực bí ẩn nằm đâu đó trên bảng tuần hoàn, gồm các nguyên tố siêu nặng có khả năng bị phân rã ít hơn.

Được biết, Bộ Năng lượng Mỹ lần đầu tiên phát hiện ra einsteinium (được đặt theo tên Albert Einstein) trong vụ thử bom khinh khí đầu tiên vào năm 1952.

Nguyên tố này không xuất hiện tự nhiên trên Trái đất và chỉ có thể được sản xuất với số lượng cực nhỏ bằng các lò phản ứng hạt nhân chuyên dụng. Nó cũng khó phân tách khỏi các nguyên tố khác, có tính phóng xạ cao và phân hủy nhanh chóng, gây khó khăn cho việc nghiên cứu.

Được đặt theo tên của Albert Einstein, nguyên tố hóa học einsteinium có 99 electron xoay quanh hạt nhân của nó.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) tại Đại học California, vốn từng thực hiện các thí nghiệm đầu tiên về einsteinium từ những năm 1970, mới đây đã tạo ra một mẫu einsteinium tinh khiết có kích thước 233 nanogram. Bằng cách này, lần đầu tiên họ có thể khám phá ra một số tính chất hóa học cơ bản của einsteinium.

Rất khó để nghiên cứu

Trong suốt một thời gian dài kể từ khi phát hiện ra, các nhà vật lý hầu như không biết gì về einsteinium.

Đồng tác giả Korey Carter, một trợ lý giáo sư tại Đại học Iowa và là nhà khoa học cũ tại Phòng thí nghiệm Berkeley, nói với Live Science: "Thật khó để nghiên cứu einsteinium chỉ vì nó nằm ở đâu trong bảng tuần hoàn"

Giống như các nguyên tố khác trong dãy actinide - một nhóm gồm 15 nguyên tố kim loại được tìm thấy ở cuối bảng tuần hoàn - einsteinium được tạo ra bằng cách bắn phá một nguyên tố đích, trong trường hợp này là curium, với neutron và proton để tạo ra các nguyên tố nặng hơn. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một lò phản ứng hạt nhân chuyên dụng tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge ở Tennessee, một trong số ít nơi trên thế giới có thể tạo ra einsteinium.

Tuy nhiên, phản ứng này được thiết kế để tạo ra californium - một nguyên tố quan trọng thường được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân. Do đó nó chỉ tạo ra một lượng rất nhỏ einsteinium như một sản phẩm phụ. Việc chiết xuất một mẫu einsteinium tinh khiết từ californium là một thách thức vì sự tương đồng giữa hai nguyên tố, có nghĩa là các nhà nghiên cứu chỉ thu được một mẫu nhỏ einsteinium-254, một trong những đồng vị hoặc phiên bản ổn định nhất của nguyên tố này.

"Đó là một lượng rất nhỏ vật chất. Bạn không thể nhìn thấy nó, và cách duy nhất bạn có thể biết nó là có từ tín hiệu phóng xạ của nó", ông Carter nói.

Tuy nhiên, việc làm sao để tạo ra được einsteinium mới chỉ giải quyết được một nửa vấn đề. Vấn đề còn lại là làm thế nào để lưu trữ nó.

Trong suốt 70 năm, các đồng vị của einsteinium đã được chứng minh là rất khó nghiên cứu. Hoặc chúng quá khó để tạo ra, hoặc chúng có chu kỳ bán rã cực nhanh.

Về cơ bản, Einsteinium-254 có chu kỳ bán rã là 276 ngày. Nó sẽ phân hủy thành berkelium-250, phát ra bức xạ gamma có khả năng gây nguy hiểm cho con người. Do vậy, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos ở New Mexico đã thiết kế một giá đỡ mẫu in 3D đặc biệt để chứa einsteinium và bảo vệ các nhà khoa học của Phòng thí nghiệm Berkeley khỏi bức xạ này.

Tuy nhiên, sự phân rã của Einsteinium-254 cũng tạo ra các vấn đề khác cho các nhà nghiên cứu. "Nó phân rã liên tục, dẫn tới sự hao hụt khoảng 7,2% khối lượng mỗi tháng khi nghiên cứu nó", tác giả nghiên cứu cho biết.

"Bạn phải tính đến điều này khi lập kế hoạch thử nghiệm".

Nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Berkeley đã quen với việc xử lý các nguyên tố khác có chu kỳ bán rã ngắn. Mặc dù vậy, nhóm đã bắt đầu công việc của mình vào thời điểm ngay trước khi đại dịch Covid-19 bùng nổ. Điề này có nghĩa, họ đã mất thời gian quý báu và không thể hoàn thành tất cả các thí nghiệm đã được lên kế hoạch.

Những kết quả bất ngờ

Phát hiện chính thu được từ nghiên cứu là phép đo độ dài liên kết einsteinium - khoảng cách trung bình giữa hai nguyên tử liên kết.

Một mẫu einsteinium tinh khiết có kích thước 233 nanogram.

Đây là một đặc tính hóa học cơ bản giúp các nhà khoa học dự đoán cách einsteinium sẽ tương tác với các nguyên tố khác. Họ phát hiện ra rằng, độ dài liên kết của einsteinium đi ngược lại xu hướng chung của các actinide (nhóm đặc biệt của các nguyên tố phóng xạ kim loại nằm cuối bảng tuần hoàn). Đây là điều đã được dự đoán về mặt lý thuyết trong quá khứ, nhưng chưa từng được chứng minh thực tế trước đây. So với phần còn lại của loạt actinide, einsteinium cũng có kiểu phát sáng rất khác khi tiếp xúc với ánh sáng, vốn được nhóm nghiên cứu mô tả là "một hiện tượng vật lý chưa từng có".

Cần có những thí nghiệm sâu hơn để xác định lý do. Carter cho biết, nghiên cứu mới này "đặt nền móng cho việc thực hiện các nghiên cứu với các mẫu nguyên tố có khối lượng thực sự nhỏ".

Nghiên cứu của nhóm cũng có thể giúp việc tạo ra einsteinium dễ dàng hơn trong tương lai. Cụ thể, einsteinium có khả năng được sử dụng làm nguyên tố mục tiêu để tạo ra các nguyên tố nặng hơn nữa, bao gồm cả những nguyên tố chưa được phát hiện như nguyên tố giả thuyết 119, còn được gọi là ununennium.

Nghiên cứu được công bố ngày 3/2 trên tạp chí Nature.