Phát hiện một loại vật liệu mới có thể thay thế đất hiếm, chi phí rẻ hơn 20.000 lần

Các nhà khoa học vừa phát hiện một dạng nhôm mới với khả năng phản ứng đặc biệt, mở ra triển vọng thay thế các kim loại đất hiếm và kim loại quý vốn đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp.

Nhóm nghiên cứu tại King’s College London đã xác định được một dạng nhôm phân tử mới có cấu trúc và đặc tính chưa từng được ghi nhận trước đây. Nghiên cứu do Tiến sĩ Clare Bakewell, giảng viên cao cấp tại Khoa Hóa học, dẫn dắt và được công bố trên tạp chí khoa học Nature Communications.

Theo nhóm nghiên cứu, họ đã tạo ra các phân tử gốc nhôm có khả năng phản ứng rất cao, có thể phá vỡ một số liên kết hóa học mạnh nhất. Đặc biệt, các nhà khoa học lần đầu tiên ghi nhận sự tồn tại của một hợp chất có tên cyclotrialumane – cấu trúc gồm ba nguyên tử nhôm liên kết với nhau theo hình tam giác.

Cấu trúc ba nguyên tử này vừa thể hiện khả năng phản ứng mạnh mẽ, vừa duy trì được độ ổn định khi hòa tan trong nhiều dung môi khác nhau. Nhờ đó, hợp chất có thể tham gia vào nhiều quá trình hóa học quan trọng, bao gồm tách phân tử dihydrogen và phản ứng với ethene – một hydrocarbon hai nguyên tử carbon được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp hóa chất.

Các phản ứng này cho phép tạo ra nhiều cấu trúc phân tử mới, bao gồm các vòng nhôm–carbon có kích thước năm và bảy nguyên tử, vốn chưa từng được quan sát trước đây. Những cấu trúc như vậy có thể trở thành nền tảng cho việc phát triển các vật liệu và hợp chất hóa học mới.

Một trong những ý nghĩa lớn nhất của phát hiện này nằm ở khả năng giảm phụ thuộc vào các kim loại quý và kim loại hiếm. Trong nhiều quy trình sản xuất hóa chất hiện nay, đặc biệt là các phản ứng xúc tác, các kim loại như bạch kim hoặc paladi thường được sử dụng. Tuy nhiên, việc khai thác và tinh chế các kim loại này rất tốn kém và có thể gây ra tác động môi trường đáng kể.

Theo Tiến sĩ Clare Bakewell, nhiều kim loại chuyển tiếp quan trọng đang ngày càng khó tiếp cận do nguồn cung hạn chế và thường tập trung tại các khu vực có bất ổn địa chính trị. Điều này khiến chi phí tăng cao và thúc đẩy các nhà hóa học tìm kiếm các nguyên tố phổ biến hơn trong bảng tuần hoàn.

“Chúng tôi lựa chọn nhôm vì đây là một trong những nguyên tố dồi dào nhất trên Trái đất. Chi phí của nhôm rẻ hơn khoảng 20.000 lần so với các kim loại quý như bạch kim và paladi,” bà cho biết.

Ban đầu, mục tiêu của nhóm nghiên cứu là thiết kế các hợp chất nhôm có khả năng mô phỏng vai trò của kim loại chuyển tiếp trong xúc tác. Tuy nhiên, kết quả thu được cho thấy tiềm năng của hệ hóa học này vượt xa kỳ vọng ban đầu.

Theo Tiến sĩ Bakewell, các trimer nhôm mà nhóm phát triển có thể tạo ra những phản ứng hóa học hoàn toàn mới với mức độ phản ứng chưa từng được quan sát trước đây. Điều này có thể mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng của nhôm trong tổng hợp hóa học.

Dù vậy, nghiên cứu hiện vẫn đang ở giai đoạn thăm dò. Nhóm khoa học cho biết họ mới chỉ bắt đầu khám phá tiềm năng của dạng vật liệu này và cần thêm nhiều nghiên cứu để đánh giá khả năng ứng dụng thực tế.

Tuy nhiên, những kết quả ban đầu cho thấy loại hóa học mới dựa trên nhôm có thể góp phần thúc đẩy quá trình chuyển đổi sang các quy trình sản xuất hóa chất sạch hơn, tiết kiệm chi phí hơn và thân thiện với môi trường hơn trong tương lai. Nếu được phát triển thành công ở quy mô công nghiệp, phát hiện này có thể tạo ra bước tiến quan trọng trong lĩnh vực vật liệu và công nghệ hóa học.