Các nhà khoa học tại King’s College London đã xác định một dạng nhôm mới khác thường — một trong những kim loại phong phú nhất trong vỏ Trái Đất. Phát hiện này mở ra khả năng về một chất thay thế rẻ hơn nhiều và bền vững hơn cho các kim loại đất hiếm vốn được sử dụng rộng rãi trong công nghệ và công nghiệp hiện đại.

Tiến sĩ Clare Bakewell, giảng viên cao cấp tại Khoa Hóa học, là người dẫn đầu nghiên cứu. Nhóm của bà đã tạo ra các phân tử dựa trên nhôm có độ phản ứng rất cao, có khả năng phá vỡ một số liên kết hóa học mạnh nhất. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications cũng mô tả các cấu trúc phân tử chưa từng được quan sát trước đây, mở ra con đường cho những dạng hoạt tính hóa học mới.

Một thành tựu trung tâm của nghiên cứu là ví dụ đầu tiên được ghi nhận về cyclotrialumane. Hợp chất này gồm ba nguyên tử nhôm liên kết với nhau theo cấu trúc hình tam giác. Cấu trúc ba nguyên tử này thể hiện mức độ phản ứng необычный (đặc biệt) trong khi vẫn giữ được tính ổn định khi hòa tan trong các dung dịch khác nhau.

Hình: scitechdaily.com

Sự ổn định đó cho phép nó tham gia vào nhiều quá trình hóa học. Trong số đó có việc tách phân tử dihydrogen và quá trình chèn có kiểm soát cũng như kéo dài chuỗi của ethene — một hydrocarbon gồm 2 nguyên tử carbon đóng vai trò là “viên gạch nền” quan trọng trong sản xuất hóa chất.

Giảm phụ thuộc vào kim loại quý

Kim loại đóng vai trò thiết yếu trong việc sản xuất cả hóa chất khối lượng lớn lẫn hóa chất chuyên dụng. Tuy nhiên, nhiều phản ứng công nghiệp — đặc biệt là các phản ứng xúc tác — phụ thuộc vào các kim loại quý như bạch kim. Việc khai thác và tinh luyện các vật liệu này rất tốn kém và có thể gây tác động nghiêm trọng đến môi trường.

Các nhà khoa học từ lâu đã tìm kiếm những kim loại thay thế để sử dụng trong các biến đổi hóa học. Tiến sĩ Clare Bakewell cho biết:

“Các kim loại chuyển tiếp là ‘ngựa thồ’ của tổng hợp và xúc tác hóa học — nhưng nhiều kim loại hữu ích nhất ngày càng khó tiếp cận và khai thác, thường nằm ở các khu vực bất ổn chính trị, khiến nhu cầu và giá cả tăng cao.

Các nhà hóa học đã hướng tới những nguyên tố phổ biến hơn trong bảng tuần hoàn, và chúng tôi chọn nhôm vì nó cực kỳ dồi dào, khiến nó rẻ hơn khoảng 20.000 lần so với các kim loại quý như bạch kim và palladium.”

Vượt xa việc mô phỏng kim loại chuyển tiếp

Không chỉ thiết kế các hợp chất nhôm cho ứng dụng tổng hợp, nhóm nghiên cứu còn phát hiện ra những con đường phản ứng hoàn toàn mới.

Tiến sĩ Bakewell nói:

“Điều đặc biệt của nghiên cứu này là chúng tôi đang mở rộng ranh giới tri thức hóa học. Hấp dẫn nhất là chúng tôi có thể sử dụng bộ ba nhôm này để tạo ra những hợp chất hoàn toàn mới với mức độ phản ứng chưa từng được quan sát — bao gồm các vòng nhôm–carbon 5 và 7 cạnh hình thành khi phản ứng với ethene. Những khả năng này vượt xa các kim loại chuyển tiếp mà ban đầu chúng tôi cố gắng mô phỏng, đưa nghiên cứu đến tuyến đầu của hóa học hiện đại.”

Bakewell tin rằng hướng hóa học này có thể giúp các nhà khoa học phát minh ra những loại phản ứng mới và lắp ráp các cấu trúc phân tử lớn hơn với các tính chất đặc biệt. Những tiến bộ như vậy cuối cùng có thể hỗ trợ việc phát triển vật liệu mới và sản phẩm công nghiệp.

Bà cho biết:

“Chúng tôi vẫn đang trong giai đoạn khám phá, và mới chỉ bắt đầu mở khóa tiềm năng của các vật liệu dồi dào trong tự nhiên.

Nhưng từ những gì đã thấy, hướng hóa học này có thể hỗ trợ quá trình chuyển đổi sang sản xuất hóa chất sạch hơn, xanh hơn và rẻ hơn, đồng thời tiếp tục mang lại những phát hiện mới.”