Các nhà khoa học Nhật Bản vừa chế tạo thành công hợp kim mới tương tự kim loại hiếm palladium - kim loại hiếm nhân tạo đầu tiên trên thế giới. Hợp kim mới do nhóm nghiên cứu của giáo sư Hiroshi Kitagawa của trường Đại học Kyoto sản xuất bằng công nghệ nano, và có các đặc tính tương tự như các đặc tí...
Các nhà khoa học Nhật Bản vừa chế tạo thành công hợp kim mới tương tự kim loại hiếm palladium - kim loại hiếm nhân tạo đầu tiên trên thế giới.
Hợp kim mới do nhóm nghiên cứu của giáo sư Hiroshi Kitagawa của trường Đại học Kyoto sản xuất bằng công nghệ nano, và có các đặc tính tương tự như các đặc tính của palladium - một kim loại hiếm nằm giữa rhodium và bạc trên bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học.
Sau khi được làm tan chảy ở nhiệt độ cao, các phân tử rhodium và bạc thường không trộn lẫn nhau và duy trì sự tách biệt giống như nước và dầu mỏ. Để trộn lẫn các nguyên tố này, giáo sư Kitagaoa đã tập trung vào công nghệ sản xuất các phần tử kim loại siêu nhỏ.
Nhóm nghiên cứu đã tạo ra một dung dịch chứa một số lượng bằng nhau rhodium và bạc, chuyển dung dịch này thành dạng sương mù và kiên trì trộn từng lượng nhỏ dung dịch này với cồn đã được hâm nóng để tạo ra các phần tử của hợp kim mới. Mỗi phần tử này có đường kính 10 nanomét và nguyên tử là sự hòa trộn hai kim loại trên với khối lượng bằng nhau.
Các nhà nghiên cứu cho biết hợp kim mới có cùng đặc tính với palladium, được sử dụng làm chất xúc tác nhằm làm sạch khí thải và hấp thụ khối lượng lớn khí hiđrô.
Rhodium, palladium và bạc có tương ứng 45, 46 và 47 electron. Số lượng electron này quyết định các đặc tính hóa học của các kim loại này. Theo giáo sư Kitagaoa, các quỹ đạo của các electron trong nguyên tử rhodium và bạc có thể trộn lẫn và tạo ra các quỹ đạo tương tự quỹ đạo của các electron trong nguyên tử palladium.
Mặc dù hợp kim mới khó có thể sản xuất ở cấp độ thương mại, nhưng giáo sư Kitagaoa dự định sẽ sử dụng phương pháp này để phát triển các hợp kim mới có thể sử dụng để thay thế các kim loại hiếm.
Theo nhật báo Yomiuri, việc chế tạo thành công kim loại hiếm nhân tạo là một bước đột phá mới, có thể giúp giảm sự phụ thuộc của Nhật Bản vào nguồn kim loại hiếm nhập khẩu từ các nước khác trong tương lai. Ngoài hợp kim trên, nhóm nghiên cứu này cũng chế tạo thành công các hợp kim thay thế các loại kim loại hiếm khác.
Kim loại hiếm chỉ tồn tại với số lượng rất nhỏ trên Trái Đất và rất khó khai thác hoặc chiết xuất về mặt kinh tế. Do chỉ cần sử dụng một số lượng nhỏ kim loại hiếm này cũng có thể làm thay đổi và cải thiện các đặc tính của các loại nguyên liệu khác, nên kim loại hiếm được coi là "vitamin" của các ngành công nghiệp. Chẳng hạn, palladium rất cần thiết cho việc sản xuất các linh kiện điện tử, trong khi lithium được sử dụng để sản xuất pin.
Các nhà khoa học Nhật Bản vừa chế tạo thành công một hợp kim mới có đặc tính tương tự palladium, mở ra hướng tạo kim loại hiếm nhân tạo đầu tiên trên thế giới. Sản phẩm do nhóm nghiên cứu của giáo sư Hiroshi Kitagawa thuộc Đại học Kyoto phát triển bằng công nghệ nano, trong bối cảnh nhu cầu kim loại hiếm ngày càng tăng. Palladium nằm giữa rhodium và bạc trên bảng tuần hoàn, đồng thời giữ vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp nhờ những đặc tính hóa học đặc biệt.
Thách thức lớn nằm ở chỗ rhodium và bạc thường không hòa trộn với nhau, ngay cả khi được nung chảy ở nhiệt độ cao, mà tách biệt như nước với dầu mỏ. Để vượt qua trở ngại này, giáo sư Kitagawa tập trung vào kỹ thuật chế tạo các phần tử kim loại siêu nhỏ, nơi những nguyên tử khác nhau có thể kết hợp ổn định hơn. Nhóm nghiên cứu trước hết tạo dung dịch chứa rhodium và bạc với số lượng bằng nhau, sau đó chuyển dung dịch thành dạng sương mù gồm những giọt cực nhỏ.
Các nhà khoa học tiếp tục trộn từng lượng nhỏ dung dịch với cồn đã được hâm nóng, qua đó tạo điều kiện hình thành các phần tử hợp kim mới. Mỗi phần tử chỉ có đường kính khoảng 10 nanomét, với các nguyên tử rhodium và bạc phân bố theo khối lượng bằng nhau trong cùng một cấu trúc. Theo nhóm nghiên cứu, cách sắp xếp ở kích thước nano giúp hai kim loại vốn khó hòa trộn tạo nên vật liệu có đặc tính tương đồng đáng kể với palladium.
Kết quả này đặc biệt đáng chú ý vì palladium không chỉ hiếm mà còn có giá trị cao trong các ngành công nghiệp cần vật liệu xúc tác hiệu quả. Palladium được sử dụng làm chất xúc tác giúp làm sạch khí thải, đồng thời có khả năng hấp thụ một khối lượng lớn khí hiđrô. Những đặc tính trên khiến palladium trở thành vật liệu quan trọng trong công nghệ môi trường, hóa học công nghiệp và các hệ thống xử lý khí hiện đại.
Cơ sở giải thích của nghiên cứu liên quan đến số electron trong nguyên tử, yếu tố quyết định nhiều đặc tính hóa học riêng biệt của từng kim loại. Rhodium, palladium và bạc lần lượt có 45, 46 và 47 electron, tạo nên sự khác biệt nhỏ nhưng quan trọng giữa ba nguyên tố liền kề. Giáo sư Kitagawa cho rằng các quỹ đạo electron trong nguyên tử rhodium và bạc có thể trộn lẫn, tạo ra những quỹ đạo tương tự palladium.
Nhờ vậy, hợp kim mới có thể biểu hiện những tính chất gần với palladium, dù thành phần ban đầu chỉ gồm rhodium và bạc được kết hợp bằng công nghệ nano. Tuy nhiên, hợp kim này hiện khó sản xuất ở quy mô thương mại, bởi quy trình tạo các phần tử siêu nhỏ vẫn đòi hỏi kỹ thuật kiểm soát nghiêm ngặt. Dù vậy, giáo sư Kitagawa dự định tiếp tục sử dụng phương pháp trên để phát triển thêm nhiều hợp kim mới, có khả năng thay thế các kim loại hiếm.
Theo nhật báo Yomiuri, thành công này đánh dấu một bước đột phá, đồng thời có thể giúp Nhật Bản giảm phụ thuộc vào kim loại hiếm nhập khẩu. Sự phụ thuộc đó đặc biệt đáng lưu ý vì kim loại hiếm thường chỉ tồn tại với số lượng rất nhỏ trên Trái Đất, khiến việc khai thác hoặc chiết xuất gặp nhiều khó khăn. Không chỉ hợp kim tương tự palladium, nhóm nghiên cứu còn chế tạo thành công những hợp kim có thể thay thế một số loại kim loại hiếm khác.
Trong công nghiệp, kim loại hiếm thường được ví như “vitamin” vì chỉ cần một lượng nhỏ cũng đủ thay đổi hoặc cải thiện đáng kể tính chất vật liệu. Chẳng hạn, palladium cần thiết cho sản xuất linh kiện điện tử, còn lithium giữ vai trò quan trọng trong chế tạo pin phục vụ nhiều thiết bị hiện đại.
