Lần đầu tiên ghi hình chuyển động của nguyên tử trong phản ứng hóa học

Sử dụng một loại kính hiển vi điện tử mới có tên là kính hiển vi điện tử phân giải thời gian phân giải nguyên tử đơn phân tử (SMART-EM), nhóm nghiên cứu do các chuyên gia Đại học Northwestern đứng đầu đã quan sát chất xúc tác tách các nguyên tử hydro khỏi các phân tử rượu theo thời gian thực.

Nhờ vào quan sát chưa từng có ở cấp độ nguyên tử về hoạt động của chất xúc tác, phát hiện này có thể cách mạng hóa cách chúng ta thiết kế các quy trình hóa học xanh hơn và hiệu quả hơn. Các phát hiện vừa được công bố vào ngày 11.4, trên tạp chí Chem.

Tại sao việc hiểu chất xúc tác lại quan trọng?

Tác giả đầu tiên Yosi Kratish thuộc trường Northwestern và đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: “Bằng cách hình dung quá trình này và theo dõi các cơ chế phản ứng, chúng ta có thể hiểu chính xác những gì đang diễn ra ở mức chi tiết nhỏ nhất. Trước đây, chúng ta không thể thấy được cách các nguyên tử di chuyển. Bây giờ thì có thể. Khi nhận ra những gì chúng tôi đã đạt được, tôi phải đóng máy tính xách tay và nghỉ ngơi trong vài giờ. Chưa ai từng làm điều này trước đây trong lĩnh vực xúc tác, vì vậy tôi đã rất kinh ngạc”.

Tác giả chính của nghiên cứu Tobin J. Marks thuộc trường Northwestern, cho biết: “Các chất xúc tác giúp cuộc sống hiện đại trở nên khả thi. Chúng được sử dụng để tạo ra mọi thứ, từ nhiên liệu và phân bón đến nhựa và thuốc. Để các quy trình hóa học hiệu quả hơn và thân thiện với môi trường hơn, chúng ta cần hiểu chính xác cách các chất xúc tác hoạt động ở cấp độ nguyên tử. Nghiên cứu của chúng tôi là một bước tiến lớn hướng tới mục tiêu đó”.

Khiến các phân tử sống yếu phải lộ diện

Các nhà nghiên cứu từ lâu đã tìm cách quan sát các sự kiện xúc tác trực tiếp ở cấp độ nguyên tử. Phản ứng hóa học giống như một hành trình đi từ các nguyên liệu ban đầu và đến sản phẩm cuối cùng. Trong suốt hành trình, các phân tử hình thành chớp nhoáng và đôi khi là bất ngờ rồi đột ngột chuyển hóa thành các phân tử khác. Vì những phân tử được gọi là "trung gian" này không thể đoán trước và tồn tại rất ngắn nên chúng rất khó phát hiện.

Tuy nhiên, bằng cách trực tiếp quan sát phản ứng diễn ra, các nhà khoa học có thể xác định trình tự chính xác của các sự kiện để tiết lộ toàn bộ lộ trình phản ứng và xem các chất trung gian khó nắm bắt đó. Suốt một thời gian dài, chúng ta không thể quan sát được những động lực bí mật này. Trong khi kính hiển vi điện tử truyền thống (TEM) có thể chụp ảnh các nguyên tử, thì chùm tia của chúng quá mạnh để chụp ảnh vật chất hữu cơ mềm được sử dụng trong quá trình xúc tác. Các electron năng lượng cao dễ dàng phá vỡ các cấu trúc chuỗi carbon, phá hủy chúng trước khi các nhà khoa học có thể thu thập dữ liệu.

Kratish cho biết: "Hầu hết các kỹ thuật kính hiển vi điện tử truyền qua thông thường đều hoạt động ở các điều kiện dễ làm hỏng các phân tử hữu cơ. Điều này khiến việc quan sát trực tiếp các chất xúc tác nhạy cảm hoặc vật chất hữu cơ trong quá trình phản ứng bằng các phương pháp TEM truyền thống trở nên cực kỳ khó khăn".

Để vượt qua thách thức này, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang SMART-EM, một kỹ thuật mới có thể chụp ảnh các phân tử hữu cơ mỏng manh. Được Nakamura và nhóm của ông công bố vào năm 2018, SMART-EM sử dụng liều lượng electron thấp hơn nhiều, giảm thiểu lượng năng lượng khi truyền đến mẫu đo. Bằng cách chụp các chuỗi hình ảnh nhanh, SMART-EM tạo ra các video về các quá trình động, mà Nakamura gọi là "hóa học điện ảnh".

Trong một tuyên bố năm 2019, Nakamura cho biết: "Kể từ năm 2007, các nhà vật lý đã có thể hiện thực hóa giấc mơ hơn 200 kéo dài suốt 200 năm qua: khả năng nhìn thấy một nguyên tử riêng lẻ. Nhưng mọi chuyện không dừng lại ở đó. Nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã vượt ra ngoài giấc mơ này để tạo ra các video về các phân tử để xem các phản ứng hóa học ở mức độ chi tiết chưa từng có".

Nhiều phát hiện bất ngờ khi quan sát một thí nghiệm

Khi áp dụng SMART-EM vào xúc tác lần đầu tiên, nhóm nghiên cứu của Đại học Northwestern đã chọn một phản ứng hóa học đơn giản: loại bỏ các nguyên tử hydro khỏi một phân tử rượu. Nhưng trước tiên, họ cần chọn đúng chất xúc tác. Khoảng 85% chất xúc tác công nghiệp là chất không đồng nhất, hay nói cách khác thì chúng là vật liệu rắn phản ứng với chất lỏng và khí. Mặc dù chất xúc tác không đồng nhất ổn định và hiệu quả, nhưng chúng cũng lộn xộn, với nhiều vị trí tiếp xúc khác nhau nơi phản ứng có thể xảy ra.

Trước khi nghiên cứu, các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng rượu đi thẳng đến chất xúc tác, tại đó nó trở thành khí hydro và aldehyde (một phân tử hình thành khi một phân tử rượu bị oxy hóa). Từ đó, aldehyde, một loại khí ở nhiệt độ phòng, thoát ra ngoài không khí. Nhưng khi quan sát quá trình diễn ra, chúng ta lại thấy một câu chuyện khác.

Video này cho thấy chất trung gian alkoxide hemiacetal tồn tại chớp nhoáng, mà các nhà nghiên cứu chưa từng quan sát thấy trước đó.

Sử dụng SMART-EM, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng aldehyde không trôi đi mà bám vào chất xúc tác. Họ cũng phát hiện ra rằng các aldehyde liên kết với nhau để tạo thành polyme chuỗi ngắn — một bước chưa từng biết trước đây dường như thúc đẩy phản ứng tổng thể. Trong một bất ngờ khác, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng aldehyde cũng phản ứng với rượu để tạo thành hemiacetal, một phân tử trung gian sau đó được chuyển hóa thành các sản phẩm khác.

Để xác nhận những phát hiện này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng nhiều kỹ thuật kính hiển vi, phân tích tia X, mô hình lý thuyết và mô phỏng máy tính. Tất cả đều khớp với dữ liệu SMART-EM.

Kratish nhận xét: “Đây là một bước đột phá lớn. SMART-EM đang thay đổi cách chúng ta nhìn nhận về hóa học. Cuối cùng, chúng tôi muốn cô lập các chất trung gian đó, kiểm soát lượng năng lượng mà chúng tôi đưa vào hệ thống và nghiên cứu động học của quá trình chuyển đổi xúc tác hữu cơ theo thời gian thực. Điều đó sẽ thật phi thường. Đây mới chỉ là sự khởi đầu”.

Anh Tú