Quay ngược về quá khứ, ý tưởng biến kim loại thành vàng đã xuất hiện từ Hy Lạp cổ đại với vị triết gia Zosimos thành Panopolis. Ông tin rằng việc biến đổi những kim loại ít giá trị thành vàng là phản ánh sự thanh tẩy và cứu chuộc linh hồn - một việc mang ý nghĩa tâm linh sâu sắc. Khi quan niệm này tái xuất hiện ở châu Âu thời Trung cổ, người ta chỉ còn tập trung vào vế đầu tiên. Biết bao nhà giả kim đã tin rằng biến chì thành vàng là điều khả thi, miễn là họ tạo ra được hòn đá triết gia – một chất huyền thoại được cho là có thể xúc tác quá trình. Bên cạnh đó, họ tin rằng kim loại chứa một hỗn hợp các nguyên liệu cơ bản: thủy ngân, lưu huỳnh và muối. Do đó, họ đặt ra giả thuyết là việc sắp xếp lại các thành phần này và loại bỏ tạp chất sẽ khiến kim loại biến thành vàng.
"Các nhà triết gia tự nhiên tin vào ý tưởng này. Họ cho rằng các kim loại thường ở giai đoạn không tinh khiết và cuối cùng sẽ chín muồi thành dạng tinh khiết nhất, tức là vàng. Vấn đề duy nhất là nó sẽ mất một thời gian rất dài để điều này xảy ra trên Trái đất" – theo nhà khảo cổ và nhà khoa học di sản Umberto Veronesi tại Đại học NOVA Lisbon ở Bồ Đào Nha.
"Biến vật thành vàng thường phù hợp với các lý thuyết về vật chất và các lý thuyết chuyển hóa vào thời điểm đó. Không ai thực sự nghi ngờ về tính khả thi của việc này", Veronesi cho biết. Nhưng, lịch sử cho ta thấy rằng chưa một ai thực hiện thành công.
Sự xuất hiện của khoa học hiện đại trong thế kỷ 17 và 18 dần dần phủ định những ý tưởng nêu trên. Người ta từ bỏ giả kim thuật và theo đuổi những ngành mới nổi là hóa học và vật lý. Khoa học càng lúc càng phát triển đã biến điều tưởng chừng như không thể thành hiện thực. Và người nắm giữ bí quyết chính là các nhà khoa học hạt nhân.
Ngày nay, chúng ta biết rằng vật chất đều được cấu tạo từ các nguyên tử. Tất cả nguyên tử đều cấu tạo từ một hạt nhân nhỏ chứa các proton và neutron liên kết với nhau, và một đám mây electron lớn liên kết với hạt nhân. Hầu hết tính chất hóa học và vật lý của một nguyên tử được xác định bởi số lượng và hình dạng của các electron, số lượng và hình dạng của electron lại do số proton trong hạt nhân quy định; vì vậy, bản chất của một nguyên tử phần lớn được xác định bằng số proton trong hạt nhân.
 |
Glenn Seaborg, người từng đoạt giải Nobel Hóa học năm 1951 và tạo ra vàng nhân tạo từ bismuth năm 1980. |
Tất cả nguyên tử có cùng số proton trong hạt nhân đều có hành vi gần như giống hệt nhau. Vì lý do này, chúng ta gọi một nhóm các nguyên tử có cùng số proton là "nguyên tố hóa học", và chúng ta liên kết các tính chất khác nhau với nguyên tố cụ thể. Vàng – thứ được người người thèm khát – chứa 79 proton trong mỗi hạt nhân nguyên tử. Về lý thuyết, chúng ta có thể tạo ra vàng bằng cách đơn giản là ghép 79 proton (và đủ số lượng neutron để giữ hạt nhân ổn định). Hay tốt hơn là ta có thể loại bỏ một proton từ thủy ngân (có 80 proton) hoặc thêm một proton vào bạch kim (có 78 proton) là được.
Nghe đơn giản là vậy nhưng điều này vô cùng khó thực hiện ngoài thực tế. Bởi lẽ, "lực tương tác mạnh giữ chặt hạt nhân nguyên tử, rất khó để loại bỏ một proton hoặc neutron" – theo nhà vật lý Alexander Kalweit làm việc tại Máy gia tốc hạt lớn Hadron tại CERN (Thụy Sĩ). Không chuỗi phản ứng hóa học nào có thể tạo ra vàng, nhưng phản ứng hạt nhân lại có thể.
Cuộc biến đổi kim loại thành vàng đã thành công lần đầu tiên vào năm 1941, khi các nhà khoa học tại Đại học Harvardsử dụng một máy gia tốc hạt để bắn hạt nhân lithium và deuterium vào nguyên tử thủy ngân, có nhiều hơn vàng một proton. Các hạt năng lượng cao đã loại bỏ các proton và neutron khỏi hạt nhân thủy ngân, tạo ra ba đồng vị phóng xạ của vàng. Tuy nhiên, chúng tồn tại trong thời gian ngắn và nhanh chóng phân rã bởi vì hạt nhân năng lượng cao không ổn định.
Bốn mươi năm sau, thành tựu phi thường này đã được người đoạt giải Nobel Hóa học Glenn Seaborg tái hiện tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley ở California. Họ đã thành công tạo ra một lượng vàng rất nhỏ từ bismuth – nguyên tố kim loại liền kề với chì trong bảng tuần hoàn – bằng cách bắn phá mẫu vật bằng hạt nhân carbon và neon trong máy gia tốc hạt.
David J. Morrissey từ Đại học Bang Michigan, từng tham gia nghiên cứu, cho biết quy trình tương tự cũng có thể áp dụng cho chì, nhưng việc cô lập vàng ở cuối phản ứng sẽ khó khăn hơn nhiều. "Chúng tôi có thể sử dụng chì trong các thí nghiệm nhưng lại dùng bismuth vì nó chỉ có một đồng vị bền", Morrissey nói. Tính đồng đều của nguyên tố này đồng nghĩa với việc tách vàng khỏi bismuth dễ hơn tách vàng khỏi chì, vốn có bốn đồng vị bền.
 |
Vàng thô. Ảnh: Nikola Miljkovic/Getty Images |
Ngày nay, nhóm nghiên cứu tại các máy gia tốc hạt trên toàn thế giới tiếp tục báo cáo về việc tạo ra vàng – sản phẩm phụ phát sinh từ các thí nghiệm. Tại Máy gia tốc hạt lớn Hadron, nhóm của Kalweit đang nghiên cứu các vụ va chạm của ion chì ở tốc độ tiệm cận tốc độ ánh sáng.
"Trong các vụ va chạm trực diện, chúng tôi thực chất giải phóng các hạt quark nằm bên trong proton và neutron. Và trong thời gian ngắn, chúng sẽ hình thành một trạng thái vật chất chỉ tồn tại trong vài micro giây sau Vụ nổ Lớn trong vũ trụ sơ khai. Đó chính là plasma quark-gluon" – nhà vật lý Kalweit giải thích.
Những vụ va chạm trực diện này mãnh liệt tới mức các proton và neutron hoàn toàn bị phá hủy. Nhưng các tương tác cận va chạm năng lượng thấp hơn – khi các hạt cực kỳ gần nhưng không tiếp xúc – tạo ra một trường điện từ mạnh mẽ, có thể đánh bật proton ra khỏi hạt nhân chì (82 proton). Kết quả là: Nhóm phát hiện khoảng 29 phần nghìn tỷ gram vàng trong quá trình thử nghiệm kéo dài ba năm.
Tuy là chúng ta đã chạm được vào giấc mộng của các nhà giả kim, các nhà vật lý hạt nhân khó có thể kiếm bộn tiền bằng cách tổng hợp vàng trong máy gia tốc hạt. Bởi lẽ, chi phí xây dựng và vận hành một cơ sở như Máy va chạm lớn Hadronlà con số thiên văn so với giá trị của nhúm vàng sản xuất ra. Ước tính, các thí nghiệm của nhà hóa học Seaborg trong những năm 1980 có chi phí gấp hàng nghìn tỷ lần so với số vàng mà họ tạo ra. Hơn nữa, phản ứng thú vị này cũng hiếm khi xảy ra, đồng nghĩa là các nhà nghiên cứu phải vật lộn tìm kiếm trong hàng tỷ điểm dữ liệu để xác định những nguyên tử đã biến đổi.
"Kể từ những năm 1940, có vô vàn thí nghiệm đã sản sinh ra vàng" – nhà vật lý Kalweitcho biết. "Nhưng điểm chung của tất cả là không có thí nghiệm nào tạo ra lợi nhuận dù chỉ một chút".
Chưa kể, phần lớn vàng tạo ra từ các nguyên tố khác đều có tính phóng xạ, gây nguy hiểm cho con người và không thể bán trên thị trường. Ngoài ra, khi vàng phóng xạ trải qua quá trình phân rã sau vài ngày, nó không còn là vàng nữa.
Nguồn:
livescience.com, wtamu.edu, scientificamerican.com
Bài đăng KH&PT số 1357 (số 33/2025)
Phương Anh tổng hợp