Trang chủ Chuyên gia viết Hydro làm vàng co lại

Hydro làm vàng co lại

Nước ở quanh chúng ta và nuôi sống chúng ta. Trong mỗi giọt nước luôn có một lượng rất nhỏ nguyên tử hydro tách ra thành các proton tự do. Cứ nửa tỉ phân tử nước thì mới có một proton như vậy. Tuy nhiên, vì số lượng phân tử nước trong một lít là rất lớn, nên số proton cũng lên đến 60 triệu tỉ trong một lít. Nhưng nếu tính theo đơn vị mol (1 mol chứa xấp xỉ 600 triệu triệu tỉ phần tử) thì số mol proton cũng chỉ ở cỡ 10-7. Con số 7 trên lũy thừa thường được nhắc đến như độ pH của nước. Nước trung tính, không chua (vì có pH tương đối cao so với ngưỡng acid) cũng không đắng (vì có độ pH tương đối thấp so với ngưỡng kiềm). Ngoài proton tự tách ra, trong nước còn có một lượng nhỏ hydro hoà tan từ không khí. Lượng này thấp hơn số proton đến 16 nghìn lần. Thế nhưng, trái ngược với nước, hydro hòa tan trong kim loại với hàm lượng rất cao [1]. Sự khuếch tán của hydro trong các môi trường khác nhau đặt ra vấn đề là làm thế nào để xác định được nồng độ hydro. Cách đơn giản nhất là đốt nóng cho hydro bốc hơi và đếm số nguyên tử bay ra. Cho đến nay, cách làm này (sắc k‎ý khí) vẫn là cách phổ biến nhất với độ chính xác có thể đạt ngưỡng một vài ppm (part per million: một phần triệu). Vì hydro làm thay đổi độ dẫn điện của kim loại nên chỉ cần đo điện trở của một màng kim loại vừa hấp thụ số hydro bay ra người ta sẽ định lượng được. Vấn đề khoa học duy nhất là làm sao tìm ra được loại màng kim loại hay hợp kim, đơn lớp hay đa lớp, thậm chí màng gốm, có độ nhạy điện dẫn cao đối với hydro trong một khoảng nồng độ đủ rộng.

Trong phạm vi bài viết này, chúng tôi không có ‎ý‎ định trình bày với bạn đọc sâu hơn về cấu trúc hay cách thức chế tạo các loại màng cảm biến hydro có độ nhạy cao, vì vấn đề này sẽ được thực hiện trong dự án “Thiết bị và vật liệu tiên tiến cho khảo sát quy mô lớn dữ liệu về nước” (Hình 1). Để bạn đọc thấy được tầm quan trọng của nghiên cứu vật liệu trong công nghệ hiện đại, chúng tôi sẽ đề cập đến một hiệu ứng vật lý thú vị xảy ra khi hydro thấm sâu vào kim loại, cụ thể là vàng. Sự thay đổi độ dẫn điện chỉ là biểu hiện bên ngoài, ẩn chứa bên trong là những hiệu ứng sâu sắc hơn, có thể tạo ra cuộc cách mạng trong thời gian tới [2, 3].

Hình 1. Chất lượng môi trường nước luôn là mối quan tâm đặc biệt của con người.

Hợp chất mới của hydro với vàng

Vàng luôn tỏa nhiệt khi dẫn điện [có dòng điện chạy qua], nhưng với hydro hòa tan nó có thể dẫn điện mà không tỏa nhiệt. Hiện tượng này thường được nhắc đến như trạng thái siêu dẫn. Siêu dẫn trong vật liệu hydro (H2S) có thể xảy ra dưới áp suất lớn ngay tại nhiệt độ phòng [2, 3]. Sự pha hydro ở vùng nồng độ thấp hơn 3000 ppm còn dẫn đến một hiện tượng kỳ lạ: nó làm cho kích thước của vàng co nhỏ lại [4].  Càng pha nhiều thì vàng càng co lại mạnh, cho đến khi nồng độ đạt ngưỡng 1 hydro/350 nguyên tử vàng, tức vào khoảng 3000 ppm.

Bạn đọc có thể hình dung chúng ta rót hydro lỏng vào một cái cốc vàng, càng rót nhiều thì cái cốc càng bé lại. Cốc vàng co lại không phải vì nhiệt độ giảm. Quá trình tan của hydro vào trong vàng là quá trình làm mất nhiệt, và bạn có thể giữ nhiệt độ của cốc vàng luôn lạnh như nhiệt độ hydro lỏng. Đây là một hiện tượng chưa từng được biết đến, và rất khó giải thích về mặt vật lý. Phải nói rằng cho đến nay, tất cả các nghiên cứu đều khẳng định kim loại tăng thể tích khi hấp thụ hydro [5] (Hình 2), ngoại trừ một trường hợp đặc biệt là nhôm, thì thể tích hầu như không thay đổi [6]. Như chúng ta biết, kim loại tồn tại trong trạng thái nguyên tử xếp chặt, như những quả bóng nằm cạnh nhau với các khoảng trống rất nhỏ. Dĩ nhiên do có kích thước bé hydro vẫn có thể điền kẽ vào những vị trí đó. Thực tế cho thấy hydro tồn tại trong kim loại ở trạng thái đơn nguyên tử chứ không phải phân tử H2.

Hình 2. Độ tăng thể tích theo nồng độ hydro trong một số hợp kim. ˜ Gold-palladium; ○ Silver-Palladium; ●Copper-Nickel; ▼ Copper-Palladium; ◇Palladium; ▽Iridium-Palladium; ■ Nickel; Đồ thị trích lại từ Baranowski et al. (1971) [5].

Phân tử hydro có năng lượng liên kết H-H khá cao, và để tách hai nguyên tử người ta cần đến 104 kcal/mol. Vì quá trình hòa tan của hydro tại vùng nồng độ thấp tỏa nhiệt, nên nhiệt thu được từ hòa tan phải lớn hơn nhiệt tách hai nguyên tử. Để giải phóng được năng lượng này, hydro không thể tồn tại ở các vị trí điền kẽ có kích thước lớn. Các vị trí này là các vị trí không bền và chỉ bị chiếm khi nồng độ hydro tăng cao. Tại nhiệt độ phòng hydro thường được giải phóng khỏi các vị trí này khá nhanh1. Hiện nay, hầu hết ứng dụng đều liên quan đến xúc tác kim loại (Pd), dựa vào hoạt tính cao của hydro trên bề mặt để phân hủy khí thải (oxít carbon CO…), nên việc hydro chiếm vị trí nào sâu bên trong mạng kim loại không quá quan trọng. Vấn đề chỉ trở nên hấp dẫn khi mạng kim loại co nhỏ nếu hydro thẩm thấu sâu vào bên trong. Lúc đó, hydro tồn tại chủ yếu ở các vị trí kẽ có kích thước nhỏ, gần hơn tới tâm các nguyên tử vàng. Các vị trí này có năng lượng liên kết khoảng 80 kcal/mol, chưa đủ để duy trì trạng thái đơn nguyên tử nếu hydro có cơ hội gặp nhau và tái hợp trở lại thành phân tử, nhưng cũng đủ lớn để giữ các nguyên tử hydro ở lại bên trong. Năng lượng này cũng lớn hơn động năng khuyếch tán nên các nguyên tử hydro bị bẫy bền vững mà không dịch chuyển tự do. Câu hỏi lớn dĩ nhiên phải được đặt ra là hydro có liên kết với các nguyên tử kim loại để tạo thành các hợp chất hydrid, ví dụ AuH2, AuH4…, hay không.

Các hydrid kim loại được phát hiện khá nhiều, đa phần tương đối bền, nhưng với vàng thì không, thậm chí hydrid vàng AuH còn là một chất nổ. Nhìn rộng hơn, hệ thống hydro và mạng kim loại có thể được xem như một chất lỏng rắn, trong đó chất kết tủa hydrid kim loại được tạo ra khi hydro đạt ngưỡng một nồng độ xác định (thông thường 1%, hay 10000 ppm). Sự kết tủa hydrid làm cơ tính của kim loại mất dần, và trong ngành khoa học về kim loại (luyện kim nói riêng) thì sự tồn tại của hydro trong kim loại luôn là yếu tố hàng đầu dẫn đến sự suy giảm phẩm chất kim loại theo thời gian. Nhưng sự xuất hiện của hydrid vàng không thể l‎ý giải sự co nhỏ của mạng khi hydro được điền kẽ. Ngược lại, lẽ ra mạng vàng phải giãn ra. Cũng vậy, sự xuất hiện các sai hỏng mạng, hay các lỗ trống trong mạng (thường nhiều gấp 10 lần nồng độ hydro) cũng không lý giải được sự giảm của các hằng số mạng. Vậy thì nguyên nhân của hiện tượng này ở đâu?

Trong khoa học về vật liệu không dễ gì xác định được thành phần vật liệu một cách rõ ràng. Ở vùng nồng độ thấp, thông thường cần minh chứng thành phần bằng một vài phương pháp độc lập, như tán xạ Raman hay huỳnh quang tia X (XPS). Đây là hai phương pháp có độ nhạy cao hơn so với các phương pháp khác như tán sắc năng lượng tia X (EDX: Energy Dispersive X-Ray), tán xạ ngược Rutherford (RBS: Rutherford backscattering spectrometry), tán xạ đàn hồi (ERD)… Để phát hiện hydro thì không có nhiều lựa chọn. Rất may, hydro trong các vị trí điền kẽ kích thước nhỏ (là các vị trí có đối xứng tứ diện/tetrahedral) có dao động đặc trưng trên phổ Raman, trong khi đó vàng nguyên chất cũng như hydro tại các vị trí điền kẽ kích thước lớn (các vị trí bát diện/octahedral) không có bất kỳ vạch Raman nào, nên phổ Raman có thể khẳng định dứt khoát “có-không” đối với hydro [4] (Hình 3). Nhược điểm của phổ Raman là không cho phép xác định trực tiếp năng lượng liên kết, mà chỉ gián tiếp. Trong khi đó, phương pháp XPS có thể xác định chính xác năng lượng liên kết Au-H, nếu có hydro tham gia trong mạng, nhưng độ nhạy phân tích đối với hydro lại thấp.

Hình 3. Phổ tán xạ Raman của vàng nguyên chất (đường liền bên dưới) và của mẫu vàng pha hydro, với ba đỉnh chính tương ứng với 3 mode dao động của hydro trong các vị trí tứ diện [4].

Liên kết của hydro trong mạng tinh thể kim loại khác xa so với liên kết của nó trong phân tử hydrid kim loại. Đó là một kiểu liên kết hydrid mở rộng, trong đó một nguyên tử hydro chia sẻ điện tử với vùng hóa trị tạo thành bởi n nguyên tử vàng. Con số n có thể rất lớn, tại nồng độ thấp lên đến hàng nghìn. Không có một năng lực tính toán nào hiện nay có thể mô phỏng quá trình này nếu số nguyên tử vàng vượt quá 3000. Mới gần đây, người ta còn bỏ qua một yếu tố quan trọng quyết định tính chất của vàng, đó là tính tương đối của điện tử lớp trong. Bạn đọc có thể hình dung khi một vật quay quanh một vật khác thì tần số quay phụ thuộc khoảng cách, ở càng xa thì tốc độ quay càng chậm và ngược lại. Với nguyên tử hydro khoảng cách proton – điện tử chỉ 10‑11 m do đó điện tử quay rất nhanh. Ước đoán thô cho thấy vận tốc ~ 0.7% vận tốc ánh sáng Sử dụng công thức tính vận tốc đối với vàng thì vận tốc điện tử lớp K (n=1) xấp xỉ 58% vận tốc ánh sáng. Theo lý thuyết tương đối, khi vận tốc tăng thì quỹ đạo co ngắn lại, dẫn đến bán kính nguyên tử bé đi. Đó là lý do vì sao các nguyên tố đất hiếm nặng lại có kích thước nguyên tử nhỏ. Hơn nữa, sự thay đổi kích thước quỹ đạo đối với vàng đẩy năng lượng lớp 5d tiến gần lớp 6s bên ngoài. Chênh lệch năng lượng giữa hai lớp này quyết định photon nào bị vàng hấp thụ, photon nào bị phản xạ trở lại. Và vì những photon có năng lượng 2.10 – 2.20 eV bị phản xạ nên vàng có màu vàng! Dĩ nhiên, để mô phỏng được quá trình này thì hiệu ứng tương đối phải được tính đến, nhưng khi đó tất cả 79 điện tử của vàng phải được mô tả bằng các hàm sóng. Nếu trong mô hình của bạn có 3000 nguyên tử thì số quỹ đạo lên đến hàng trăm nghìn. Mức độ phức tạp của tính toán tăng theo cấp số nhân.

Hơn nữa, kiến thức cơ bản về liên kết phân tử là không đủ để hiểu ra cách thức mà hydro bám vào lớp mây điện tử bên trong mạng kim loại. Một hiểu biết sâu hơn về vật lý các hệ đông đặc là cần thiết để mô tả động học điện tử của hydro trong mạng vàng. Khác với các phân tử rời rạc, chất rắn như kim loại bao gồm vô vàn các nguyên tử được sắp xếp có thứ tự theo một quy tắc nhất định tạo thành một môi trường liên tục nhưng lặp lại theo chu kỳ. Khi bạn cầm trên tay một cục sắt, có thể nó bị rỉ sét và xấu xí, nhưng bên trong là vô số các hạt nhỏ tinh khiết, kích thước vài ba micro mét, những hạt này lại chứa những tinh thể nhỏ hơn, tầm vài chục nano mét. Phóng to những tinh thể này lên chúng ta thấy chúng được tạo nên từ những ô cơ sở có kích thước vài phần chục nano mét. Các ô này lặp đi lặp lại theo cả ba chiều, tạo nên một khối vật liệu, trong đó các điện tử lớp ngoài (lớp hóa trị) di chuyển tự do mà không gặp lực cản. Do đó, người ta thường gọi môi trường này là khí điện tử: các điện tử chuyển động tự do và rất nhanh, tạo thành các đám mây với mật độ khác nhau từ chỗ này đến chỗ khác.

Mây điện tử cũng phân tầng, như mây trong bầu khí quyển vậy: các tầng có năng lượng cao thấp khác nhau. Và vì sự phân tầng lặp đi lặp lại từ ô cơ sở này sang ô cơ sở khác nên hệ thống các tầng mây tạo thành một cấu trúc mà các nhà vật lý gọi là vùng năng lượng (energy band structure). Khi hydro bám vào vàng, nó không có đích bám cụ thể, mà bám vào một tầng mây điện tử nào đó có năng lượng gần với năng lượng của điện tử của nó. Vị trí của tầng mây đó xác định vị trí mà nguyên tử hydro bị giam trong mạng tinh thể. Dĩ nhiên sẽ có nhiều vị trí khác nhau với chênh lệch năng lượng (hay lực bám) tạo thành những sợi dây buộc nguyên tử hydro lại. Điều này lý giải vì sao hydro chỉ được tìm thấy ở những vị trí có đối xứng thấp gần với nguyên tử vàng hơn, cụ thể gần với hai nguyên tử vàng, và hydro chia sẻ điện tử với cả hai nguyên tử vàng cùng một lúc. Quỹ đạo điện tử không còn khu trú trên liên kết như trong phân tử mà trải rộng trong toàn khối vật liệu.

Bây giờ ta chiếu một ánh sáng đơn sắc, ví dụ của đèn laser He-Ne (bước sóng 632,8 nm) vào vị trí có hydro. Ánh sáng này sẽ bị hấp thụ một phần và phần còn lại bị tán xạ. Bạn đo bước sóng của ánh sáng tán xạ và có thể ngạc nhiên là nó dài ra một vài chục nano mét. Cụ thể 19.0, 38.7 và 48.5 nm, tương ứng với sự giảm của số đầu sóng đếm được trên một centimet là 460, 910 và 1125 cm-1. Nguyên nhân sự suy giảm năng lượng sóng này là do một phần năng lượng đã được truyền cho hydro để làm nó dao động xung quanh vị trí ràng buộc. Ba dao động theo ba phương khác nhau so với phương của ánh sáng truyền tới có ba mức năng lượng khác nhau. Có thể hình dung ba cách dao động đó như sau (Hình 3). Hãy cầm một sợi dây bằng hai tay và kéo nó ra, ở giữa sợi dây hãy treo một đồng xu đại diện cho nguyên tử hydro. Khi bạn kéo giãn sợi dây thì đồng xu đi lên, bạn buông tay nó lại đi xuống. Hydro trong mạng vàng cũng như vậy, nó có thể đi lên và đi xuống theo cách đó. Bạn cũng có thể lúc lắc cho đồng xu đi ra phía trước rồi lại chạy về phía sau, hoặc lúc lắc theo phương ngang sao cho đồng xu trượt trên sợi dây lúc về bên phải lúc về bên trái. Như vậy, bằng cách phân tích phổ Raman có thể xác định được vị trí của hydro trong ô mạng.

Dao động gắn với tán xạ Raman chỉ là một trong những dao động mạng quan sát được. Đối với vàng pha hydro thì tán xạ Raman chỉ chiếm khoảng 1% số dao động mạng. Số còn lại là các dao động không quan sát thấy, nhưng đóng góp lớn vào sự co giãn về nhiệt của vật liệu. Để khảo sát các dao động mạng, các nhà vật lý sử dụng một công cụ gọi là phonon. Đây là các hạt tưởng tượng để truyền tải năng lượng dao động, vì các dao động cũng bị lượng tử hóa nên chúng không thể có năng lượng bất kỳ, mà chỉ có các mức ngắt quãng theo năng lượng của phonon.

Hình 4. Cấu trúc vùng năng lượng của phonon trong vật liệu vàng pha hydro. Màu vàng/trắng là các phonon tăng tần số, và ngược lại màu đỏ/xanh là các phonon giảm tần số khi thể tích tăng. Đồ thị lấy từ tài liệu [4].

Trong mạng tinh thể, phonon cũng như electron có cấu trúc năng lượng bị phân lớp thành từng vùng nhất định. Với vàng pha hydro, chỉ có ba vùng gắn với dao động của hydro, được gọi tên theo phương truyền sóng là phương dọc (longitudinal, LO), phương ngang 1 (transverse, TO1) và phương ngang 2 (transverse, TO2)2. Cả 3 vùng này có năng lượng cao, nằm trên 400 cm-1 (12 THz), ngoài ra hai vùng TO1 và TO2 chỉ tách ra khi đối xứng mạng suy biến do hydro điền kẽ vào các vị trí đối xứng thấp. Còn lại tất cả 3n3 vùng năng lượng (n là số nguyên tử vàng trong siêu mạng) đều là các dao động gắn với vàng. Do khối lượng của vàng lớn hơn của hydro cỡ hai trăm lần, nên tần số dao động của vàng thấp hơn của hydro nhiều. Tất cả phonon vàng đều nằm dưới 200 cm-1 (6 THz) (Hình 4). Thông thường, tần số dao động phụ thuộc hai yếu tố chính. Một là khối lượng: khối lượng càng nhỏ, tần số càng cao; hai là lực liên kết nguyên tử: lực càng lớn tần số cũng càng lớn. Nhưng lực tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa nguyên tử vàng và hydro. Chính vì thế khi khoảng cách tăng lên (thể tích ô cơ sở tăng) thì lực yếu đi và tần số dao động của liên kết Au-H dĩ nhiên giảm xuống. Khi bạn pha hydro vào vàng mà thể tích ô cơ sở tăng lên thì tần số phonon cũng phải giảm xuống. Tương tự, khi nhiệt độ tăng, mạng giãn ra thì tần số dao động mạng giảm. Thực ra, các nhà vật lý nói ngược lại, vì tần số phonon giảm khi nhiệt độ tăng, nên mạng giãn ra vì nhiệt3. Trở lại với vàng pha hydro, hai phonon Raman tại 460 và 1125 cm-1 đều tăng tần số khi lượng hydro pha vào tăng lên. Tính toán chi tiết cho thấy hầu hết phonon mạng đều tăng tần số, và điều này dẫn đến mạng giảm thể tích đáng kể (Hình 4). Tần số phonon tăng cho thấy liên kết của hydro trong mạng không đơn giản chỉ là giữa hydro với các nguyên tử trong lân cận gần nhất. Thực tế sự có mặt của hydro ảnh hưởng đến tất cả liên kết giữa các nguyên tử, kể cả giữa vàng – vàng. Chính vì thế mà ngay cả các phonon chỉ liên quan đến nguyên tử vàng cũng tăng tần số khi pha hydro.

Tại sao khi pha một nguyên tử hydro vào mạng thì lực hút giữa hai nguyên tử vàng nằm ở rất xa vị trí pha tạp lại tăng lên? Dĩ nhiên, l‎ý thuyết hiện tượng luận về động học phonon không thể lý giải điều này, nó chỉ gián tiếp thể hiện rằng, liên kết hydro trong mạng kim loại là khác biệt so với trong phân tử đơn lẻ. Ở đây, hydro tham gia trực tiếp và làm tăng năng lượng của từng liên kết giữa các nguyên tử vàng. Sự tăng năng lượng liên kết tiếp tục cho đến khi nồng độ hydro vượt ngưỡng 3000 ppm, sau đó lại giảm đáng kể. Và điều này lại thể hiện rất rõ trên phổ hấp thụ ánh sáng trong dải UV và nhìn thấy (phổ UV-Vis): đỉnh hấp thụ thay đổi từ xanh (pha 106 ppm) sang cam (3000 ppm) rồi trở lại vàng (pha rất loãng) (Hình 5)4. Sự thay đổi năng lượng liên kết do pha hydro trong vàng rất khó được chỉ ra bằng các công cụ giải tích, vì nồng độ pha tạp thấp đòi hỏi bài toán phải được giải trên những ô siêu mạng lớn, trong khi số lượng điện tử mà một nguyên tử hydro đưa vào chỉ có một.

Hình 5. Đỉnh hấp thụ cực đại trong dải UV-Vis của màng vàng pha hydro theo nồng độ pha tạp. Số liệu trích dẫn theo tài liệu [4].

Rất may, năng lực của khoa học tính toán hiện nay cho phép giải tiệm cận bài toán này trên những ô siêu mạng khá lớn (~3000 nguyên tử vàng, tức là ô siêu mạng 6x6x6 nm). Đối với mỗi liên kết mật độ điện tử phản ánh độ lớn lực liên kết. Tuy nhiên trong trường hợp Au-H thì mật độ điện tử trên mỗi liên kết Au-H là rất nhỏ, và hầu như không thay đổi do điện tử mà hydro mang lên dàn trải đều trên toàn ô siêu mạng. Sự khác biệt trong liên kết Au-H cần tìm thấy trong sự thay đổi tổng thể của tương tác Coulomb trong toàn ô mạng. Vì tương tác này tỉ lệ thuận với số điện tử trong ô mạng nên cho dù chỉ có một điện tử được thêm vào thì sự thay đổi của tương tác Coulomb sẽ tính được từ tích phân của toàn mật độ điện tử. Chính vì sự gia tăng của lực Coulomb (ở đây là lực hút giữa đám mây điện tử và đám hạt nhân đứng yên) mà ô mạng bị co lại, nó co lại một cách tổng thể, chứ không phải chỉ trên liên kết Au-H. Trong thực tế, sự có mặt của hydro làm khoảng cách giữa hai nguyên tử Au lân cận tăng lên, chứ không giảm đi, nhưng thể tích của toàn ô siêu mạng thì giảm. Đó cũng là điều quan sát thấy. Sự giảm thể tích ô siêu mạng luôn đi đôi với suy biến đối xứng của ô mạng. Trong khi hydro liên kết với nhiều nguyên tử vàng cùng lúc, thì sự suy giảm đối xứng dẫn đến tình huống mà một số liên kết thì dài ra, trong khi số khác lại ngắn lại. Và tần số phonon tăng lên chính là từ các liên kết bị co ngắn. Khi sự co ngắn chiếm ưu thế, chúng ta sẽ quan sát được trên thực nghiệm.

Trở lại cái hộp là ô siêu mạng và những quả bóng là các nguyên tử hydro. Khi bạn ném số bóng vào hộp nhiều lên, lực hút Coulomb giữa đám mây điện tử (tích điện âm) và hạt nhân (tích điện dương) tăng, nhưng cũng đồng thời lực đẩy Coulomb giữa các điện tử cũng tăng lên, do chúng cùng nằm trên một quỹ đạo. Lực đẩy này tăng sẽ làm giảm năng lượng mà bạn thu được từ việc đưa một nguyên tử hydro vào mạng (chính là nhiệt hòa tan). Đến một lúc nào đó lực đẩy không cho phép bạn đưa thêm bất kỳ nguyên tử hydro nào vào mạng nữa. Khi đó, quá trình hydro tan trong vàng không còn là quá trình tỏa nhiệt, mà là thu nhiệt, tức bạn sẽ phải mất công để đưa nó vào (sử dụng áp suất cao, nhiệt độ thấp…). Dĩ nhiên, mạng vàng sẽ giãn ra và hydro điền kẽ vào các vị trí có năng lượng thấp. Trong trường hợp này liên kết giữa hydro và mạng là lỏng lẻo và hydro có thể dễ dàng khuyếch tán trở lại bề mặt và dải hấp (desorb) ra ngoài. Đó cũng là lý do vì sao hydro khó tồn tại nồng độ cao trong kim loại tại nhiệt độ phòng.

Liệu một quan sát tương tự có lặp lại với một vài kim loại khác hay không? Chắc chắn là có, nếu ái lực điện tử của kim loại đó lớn hơn của hydro, và hydro là đối tượng bơm điện tử lên vùng dẫn của mạng kim loại.

Chú thích:

1Điều này có vẻ thích hợp cho các ứng dụng bình chứa hydro, vì chỉ cần đốt nóng nhẹ là thu được lượng lớn hydro bay ra. Tuy vậy, muốn giữ hydro ở lại thì lại cần hạ nhiệt độ bình xuống thấp, và việc này lại bất tiện.

2Chữ “O” chỉ “optic”, nghĩa là dao động quang, kiểu còn lại là dao động âm. Trong dao động âm các phần tử bị nén theo cùng một phương, còn trong dao động quang các phần tử chuyển động ngược chiều với nhau. Phonon âm chính là tác nhân lan truyền âm thanh trong kim loại.

3Tuy vậy, có một số trường hợp tần số phonon tăng khi nhiệt độ tăng, dẫn đến sự co lại vì nhiệt (ví dụ oxít ZrW2O8, HfV2O7 vv…).

4Hình này cho thấy sự dịch chuyển đỉnh hấp thụ về phía bước sóng dài, có nghĩa là khoảng cách năng lượng giữa lớp 6s và tầng mây bỏ trống gần nhất giảm khi hydro có mặt nhiều hơn. Không có tính toán cụ thể thì rất khó hiểu ra được, vì sao sự giảm năng lượng hấp thụ lại liên hệ chặt chẽ với sự tăng của lực liên kết hydrid giữa vàng và hydro. Bởi vì lực hút tĩnh điện của proton nhấc tầng 6s của vàng sát lại gần hơn với tầng 1s của hydro, và làm giảm khoảng cách giữa 6s với tầng kích thích bị bỏ trống gần nhất.

GS. Hoàng Nam Nhật – Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội

Biên tập: Nguyễn Phương Văn

Tài liệu tham khảo

1. Mohtadi Rana & Orimo Shin-ichi. The renaissance of hydrides as energy materials. Nat.  Rev. Mater. 2, 16091 (2017). https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.91

2. Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R. et al. Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride. Nature 586, 373–377 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2801-z

3. Drozdov, A. P., Eremets, M. I., Troyan, I. A., Ksenofontov V. & Shylin S. I. Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system. Nature 525, 73–76 (2015). https://doi.org/10.1038/nature14964

4. Nguyen Khac Thuan, Vuong Van Hiep, Nguyen The Nghia, Nguyen Trong Tinh, Tomoyuki Yamamoto, Hoang Nam Nhat. Unusual hydrogen-implanted gold: lattice contraction at increased hydrogen content. Nature Comm.12,1560 (2021). https://www.nature.com/articles/s41467-021-21842-9 (https://www.nature.com/articles/s41467-021-21842-9.epdf)

5. Baranowski, B., Majchrzak S., & Flanagan T. B. The volume increase of fcc metals and alloys due to interstitial hydrogen over a wide range of hydrogen contents. J. Phys. F: Metal Phys. 1, 258-261 (1971). https://doi.org/10.1088/0305-4608/1/3/307 6. Birnbaum, H. K., Buckley, C., Zeides, F., Sirois, E., Rozenak, P., Spooner, S., & Lin, J. S. Hydrogen in aluminum. J. Alloy. Compd. 253-254, 260–264 (1997). https://doi.org/10.1016/s0925-8388(96)02968-4

BÀI MỚI NHẤT

Newsletter nổi bật về khoa học dữ liệu và AI (2021)

Newsletter về khoa học dữ liệu và AI là giải pháp tuyệt vời cho việc quá tải thông tin khi nghiên cứu. Newsletter đã...

Dữ liệu tổng hợp: Tất cả những điều bạn nên biết

Synthetic Data (Dữ liệu tổng hợp) đang ngày càng được sử dụng phổ biến, bởi nó tiết kiệm chi phí sản xuất, đồng thời...

Top 15 công cụ lập trình C#

C# là ngôn ngữ lập trình được sử dụng rộng rãi trong các doanh nghiệp, đặc biệt là đối với những doanh nghiệp chủ...

Khái quát về Explainable AI

Trong khi trí tuệ nhân tạo (AI) thâm nhập ngày càng sâu rộng vào mọi lĩnh vực của đời sống (từ nhận dạng khuôn...

BÀI ĐỌC NHIỀU

Bài phỏng vấn Giáo sư Vũ Hà Văn

Toufik Mansour(**)(*) Giáo sư Vũ Hà Văn sinh ra và học tập đến hết trung học phổ thông tại Việt Nam. Năm 1994, ông...

Giải mã Vaccine thế hệ mới chống COVID-19

Đại dịch COVID-19 diễn biến phức tạp ở quy mô toàn cầu suốt cả năm nay, với số ca nhiễm và tử vong không...

Khái quát về Data Pipeline

Dữ liệu là chìa khóa trong việc khám phá tri thức sâu rộng, nâng cao hiệu quả quy trình và thúc đẩy đưa ra...

Toàn cảnh về miễn dịch cộng đồng với Covid-19

Việc phát triển vaccine thành công và triển khai tiêm chủng đại trà ở nhiều quốc gia đã gieo hy vọng về một thế...