Khi ma sát tạo ra phản ứng hóa học: Phát hiện tình cờ của Matthew Carey Lea

Năm 1886, Matthew Carey Lea mang theo ba mẫu bạc keo màu vàng trong chuyến đi dài bằng tàu hỏa và tàu thủy. Khi đến nơi, mẫu đựng trong các ống thủy tinh đã chuyển sang màu trắng, dù không hề tiếp xúc với ánh sáng. Điều đáng chú ý nằm ở chỗ hai mẫu còn lại, được trải trên giấy và trên các tấm kính, vẫn không đổi màu. Câu hỏi nhanh chóng hiện ra: liệu va chạm và ma sát có thể tự mình khởi động một biến đổi hóa học hay không? [1]

Câu trả lời của Lea là có, nhưng không phải mọi lực cơ học đều tạo ra cùng một kết quả. Ông cho rằng những hạt bạc được để lỏng trong ống cọ xát với nhau đã gây biến đổi, rồi kiểm tra suy đoán ấy bằng một mẫu được chèn chặt bằng bông. Thí nghiệm nhỏ này trở thành một trong những dấu mốc đầu tiên của mechanochemistry, lĩnh vực nghiên cứu các phản ứng do lực cơ học kích hoạt. [1]

Điều gì đã xảy ra trên chuyến đi?

Màu vàng và màu trắng ở đây không chỉ là hai trạng thái nhìn bằng mắt. Chúng là dấu hiệu cho thấy các hạt bạc keo đã thay đổi cách tồn tại và tương tác với nhau. Ánh sáng vốn có thể làm mẫu biến đổi, nên Lea ban đầu phải loại trừ khả năng các mẫu đã vô tình bị phơi sáng. Việc chỉ mẫu trong ống đổi màu khiến những cú xóc lớn của hành trình không còn là lời giải thích đủ thuyết phục: nếu nguyên nhân chỉ là rung lắc toàn bộ kiện hàng, các mẫu khác cũng phải chịu tác động tương tự. [1]

Điểm cần phân biệt là lực cơ học không nhất thiết hoạt động như một “tia năng lượng” mới. Khi các hạt tiếp xúc, trượt và ép vào nhau, lực có thể làm thay đổi bề mặt, phá vỡ một số liên kết hoặc tạo ra những vùng phản ứng cục bộ. Trong ví dụ của Lea, chính sự cọ xát giữa các hạt rời được xem là yếu tố quan trọng hơn chuyển động của cả chuyến tàu. [1]

Vì sao bông cotton giúp kiểm tra giả thuyết?

Lea gửi tiếp các mẫu bạc trên một hành trình dài hơn. Hai mẫu để rời vẫn chuyển sang màu trắng, trong khi mẫu được chèn chặt bằng bông cotton giữ màu vàng ban đầu. Đây là một phép đối chứng đơn giản nhưng có sức gợi lớn: bông không được dùng như hóa chất phản ứng, mà như vật liệu làm giảm khả năng các hạt bạc va vào và trượt qua nhau. [1]

Có thể hình dung sự khác biệt bằng một ví dụ đời thường, nhưng đây chỉ là minh họa: một túi hạt khô để lỏng sẽ dễ xáo trộn khi bị lắc, còn các hạt bị cố định bởi vật liệu mềm sẽ ít di chuyển tương đối hơn. Điều Lea quan sát được phù hợp với cách hiểu rằng chuyển động vi mô giữa các hạt, chứ không chỉ gia tốc của chiếc tàu, đã quyết định kết quả. Từ đây, một hiện tượng tưởng như lỗi màu trở thành câu hỏi về quan hệ giữa chuyển động vật chất và phản ứng hóa học. [1]

Mechanochemistry khác phản ứng thông thường thế nào?

Trong nhiều phản ứng quen thuộc, nhà hóa học dùng nhiệt, ánh sáng hoặc dung môi để đưa hệ chất tới trạng thái có thể biến đổi. Mechanochemistry bổ sung một con đường khác: nghiền, ép, kéo cắt hoặc làm các chất va chạm đủ mạnh để phản ứng diễn ra. Lực cơ học không phải lúc nào cũng thay thế hoàn toàn nhiệt hay dung môi, nhưng nó có thể tạo ra những điều kiện hóa học khác với khi chỉ gia nhiệt. [1]

Lea đã mở rộng quan sát từ bạc keo sang các hợp chất bạc khác. Ông dùng cả áp suất tĩnh và thao tác nghiền bằng chày, cối để xem biến đổi xảy ra ra sao. Kết quả được thuật lại cho thấy lực cắt do nghiền đôi khi hiệu quả hơn việc chỉ ép mẫu, và có những chất bị phân hủy theo cách khác với khi bị nung nóng. Vì vậy, mechanochemistry không đơn giản là “làm nóng bằng ma sát”; nó có thể mở ra một hướng phản ứng riêng. [1]

Vì sao phát hiện ấy từng bị lãng quên?

Lea nghiên cứu trong phòng thí nghiệm riêng và hầu như không xây dựng một nhóm học trò hay cộng tác viên quanh mình. Trong khi đó, hóa học cuối thế kỷ 19 dần chuyển sang mô hình phòng thí nghiệm đại học, cơ quan nhà nước và doanh nghiệp. Các nhóm nghiên cứu chuyên nghiệp tìm cách biến phát hiện thành quy trình có thể mở rộng, còn nhiệt và dung môi đã chứng minh được tính ổn định trong sản xuất. [1]

Mechanochemistry vì thế không biến mất vì thí nghiệm của Lea bị bác bỏ hoàn toàn. Nó bị đẩy ra ngoài dòng phát triển chính của ngành, một phần vì thiếu mạng lưới tiếp nối và thiếu con đường công nghiệp rõ ràng. Về sau, các nhà sử học và nhà nghiên cứu khác mới tập hợp những kết quả rời rạc để nhìn nhận mechanochemistry như một lĩnh vực có lịch sử riêng, thay vì một chuỗi quan sát bên lề. [1]

Vì sao lực cơ học được quan tâm trở lại?

Sự trở lại của mechanochemistry gắn với câu hỏi về lượng nhiệt, dung môi và chất thải trong sản xuất hóa chất. Nhiều quy trình hiện đại phụ thuộc nặng vào dung môi để hòa tan, vận chuyển hoặc kiểm soát phản ứng. Nếu một số phản ứng có thể tiến hành bằng nghiền, ép hoặc đùn với rất ít dung môi ở nhiệt độ phòng, chúng có tiềm năng giảm nhu cầu năng lượng và lượng chất thải. [1]

Tuy vậy, tiềm năng không đồng nghĩa với việc mọi quy trình đều đã sẵn sàng thay thế phương pháp cũ. Hóa học dùng dung môi có lợi thế lớn về khả năng dự đoán và mở rộng quy mô, còn mechanochemistry vẫn đang được nghiên cứu ở nhiều ứng dụng. Điều thay đổi sau hơn một thế kỷ là câu hỏi ban đầu của Lea nay được đặt trong bối cảnh rộng hơn: không chỉ lực có thể làm chất biến đổi, mà việc chọn lực thay cho nhiệt hoặc dung môi có thể ảnh hưởng đến cách hóa học được thực hiện. [1]