Đoạn video đầu tiên ghi lại hình ảnh hai nguyên tử kết nối với nhau, khiến cho cả vũ trụ dường như được hình thành từ đó

Đó thực sự là một khoảnh khắc đặc biệt, khi hai nguyên tử tham gia vào trò chơi đuổi bắt và sau đó ôm chặt lấy nhau.

Nếu như các nguyên tử không kết nối với nhau, không có gì trong vũ trụ này có thể tồn tại. Từ Mặt Trời, Trái Đất, cho đến con người và các loài sinh vật khác, tất cả đều bắt nguồn từ một quá trình hóa học duy nhất: Khi hai nguyên tử kết nối với nhau để tạo ra mọi thứ mà chúng ta gọi là 'vật chất'.

Tuy nhiên, một sự thật không phải ai cũng biết là cho tới gần đây, chưa có ai thực sự chứng kiến được quá trình hai nguyên tử kết nối lại với nhau. Ngay cả các nhà khoa học với những kính hiển vi hiện đại nhất cũng không thể ghi lại được khoảnh khắc này, với quy mô chỉ 0,2 nm. Để bạn có cái nhìn, đó là một kích thước nhỏ hơn nửa triệu lần so với đường kính của một sợi tóc.

Và đến hôm nay, một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances đã cho thấy đoạn video ngắn ghi lại khoảnh khắc quan trọng đó. Các nhà khoa học cho biết họ đã sử dụng một hệ thống kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quay lại quá trình hai nguyên tử kết nối với nhau trong thời gian thực.

Và đây là một khoảnh khắc đặc biệt, khi hai nguyên tử tham gia vào trò chơi đuổi bắt rồi sau đó ôm chặt lấy nhau:

Ghi lại hình ảnh các nguyên tử trong thời gian thực

Một đoạn video có thời lượng 18 giây ghi lại cảnh hai nguyên tử nhảy múa cùng nhau bên trong một ống carbon trống. Dần dần, chúng tiến lại gần nhau hơn, trước khi hai điểm nhỏ bất ngờ kết hợp thành một.

Trong vũ điệu của mình, các phân tử hợp nhất liên tục biến dạng, nhảy múa qua các góc khác nhau cho đến khi liên kết bị phá vỡ, các nguyên tử lại tách ra xa.

Tuy nhiên, sợi dây kết nối giữa chúng dường như không thể bị đứt lìa. Chỉ sau một khoảnh khắc chia ly, hai nguyên tử lại hợp nhất một lần nữa. Chúng liên tục tách rời và lại hợp nhất trong vũ điệu sống động của mình.

Ghi lại cảnh các nguyên tử kết nối với nhau là một công việc khoa học kỳ diệu mà trước đó chưa ai có thể thực hiện được. Để làm được điều này, các nhà khoa học đã phải giam giữ một cặp nguyên tử rhenium - một kim loại nặng - trong các ống nano carbon vô cùng hẹp.

Những ống carbon này có đường kính giảm xuống đến quy mô phân tử, chỉ rộng khoảng 1-2nm. Chúng đóng vai trò như một loại ống nghiệm thu nhỏ và cũng là bối cảnh cho các nguyên tử diễn xuất vai diễn của mình.

Toàn bộ quá trình được ghi lại dưới ống kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Đây là một kỹ thuật sử dụng chùm tia electron năng lượng cao đi qua mẫu, và thu hồi tất cả các electron đâm xuyên, phản xạ hoặc tán xạ từ mẫu để tái tạo hình ảnh.

'Theo kiến thức của chúng tôi, đây là lần đầu tiên quá trình các nguyên tử quay lượn, tách rời và hình thành [phân tử] được ghi lại', giáo sư Andrei Khlobystov từ Đại học Nottingham, một trong những tác giả chính của nghiên cứu, nói.

Tại sao các nguyên tử cần phải liên kết với nhau?

Chúng ta biết rằng các nguyên tử khó có thể tồn tại độc lập trong không gian. Ngay cả những phân tử nhẹ nhất như không khí, cũng phải liên kết lại với nhau để tạo thành phân tử.

Khi một nguyên tử oxy (O) đứng một mình, nó sẽ tìm kiếm để kết hợp với một nguyên tử oxy khác để tạo thành phân tử oxy (O₂), hoặc một phân tử oxy để tạo thành ozone (O₃), hoặc kết hợp với bất kỳ hợp chất nào khác để tạo thành oxyt.

Các nguyên tử phải liên kết với nhau để tăng tính ổn định và giảm năng lượng của chúng. Nguyên tử đứng một mình luôn có năng lượng cao nên khó tồn tại bền vững. Một nguyên tử tích điện dương sẽ tìm kiếm một nguyên tử tích điện âm hoặc ngược lại để tạo thành một phân tử ổn định hơn với các tính chất đặc biệt.

Tuy nhiên, để liên kết, các nguyên tử phải chia sẻ electron và đạt được sự cân bằng giữa lực hút dương và âm được tạo ra bởi hạt nhân và electron của chúng.

Như đã thể hiện trong đoạn video, khi hai nguyên tử liên kết với nhau, chúng đã di chuyển dọc theo hành lang hẹp của ống carbon. Tuy nhiên, tại một số điểm, liên kết của chúng vẫn bị gián đoạn khi độ dài vượt quá kích thước của các nguyên tử.

Kết nối giữa các nguyên tử sẽ thay đổi khi môi trường xung quanh chúng thay đổi. Trong trường hợp này, nó trở nên yếu hơn khi các nguyên tử di chuyển theo cặp dọc xuống ống nano, các nhà nghiên cứu đã ghi nhận.

Hai nguyên tử sẽ tách ra và trở nên độc lập một lần nữa, nhưng sau đó chúng sẽ lại bị hấp dẫn về với nhau và tái hình thành phân tử.

Với chúng ta, việc các nguyên tử kết hợp với nhau là một điều tốt. Bởi vì điều đó sẽ giúp giảm năng lượng mà chúng gây ra và ảnh hưởng đến sự sống xung quanh.

Ở ngoài không gian, khi các phân tử thường bị tia vũ trụ chia tách, nhiều phản ứng sẽ diễn ra mạnh mẽ, ví dụ như oxy nguyên tử ăn mòn các vỏ tàu không gian, dẫn đến sự hỏng hóc và biến chúng thành rác vũ trụ không thể tránh khỏi.

Xem thêm: Inverse