Nguyên cứu mới được công bố trên tạp chí Angewandte Chemie International Edition đã chứng minh bức xạ gamma có thể chuyển đổi mê-tan thành nhiều loại sản phẩm khác nhau ở nhiệt độ tiêu chuẩn, bao gồm hydrocarbon, phân tử chứa oxy và axit amin. Loại phản ứng này có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành các phân tử hữu cơ phức tạp trong vũ trụ và có thể là nguồn gốc của sự sống. Nó cũng mở ra các chiến lược mới cho quá trình chuyển đổi công nghiệp khí mê-tan thành các sản phẩm có giá trị gia tăng cao trong điều kiện thông thường.
Hiểu biết cơ bản về quá trình tiến hóa ban đầu của các phân tử trong vũ trụ rất thú vị và quan trọng. Mê-tan (CH4) là một trong những phân tử đơn giản có lượng dồi dào tồn tại trong vũ trụ. Các photon tia gamma năng lượng cao thường tồn tại trong các tia vũ trụ và sự phân rã đồng vị không ổn định, thúc đẩy hiệu quả quá trình chuyển đổi CH4 pha nước thành nhiều sản phẩm khác nhau với sự hiện diện của oxy ở nhiệt độ tiêu chuẩn. Glycine cũng hình thành khi có thêm amoniac. Cả quá trình chuyển đổi CH4 và phân phối sản phẩm đều được sửa đổi bằng các hạt rắn và độ chọn lọc CH3COOH cao tới 82% khi thêm SiO2. Kết quả chỉ ra rằng quá trình chuyển đổi CH4 pha nước do tia gamma thúc đẩy hình thành hợp chất hữu cơ phức tạp ban đầu trong vũ trụ và đưa ra một chiến lược thay thế để sử dụng hiệu quả CH4 làm nguồn cacbon tạo ra các sản phẩm có giá trị ở điều kiện thông thường.
Với những kết quả nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu do Weixin Huang dẫn đầu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (Hợp Phì) đã đóng góp vào sự hiểu biết cơ bản về sự phát triển ban đầu của các phân tử trong vũ trụ. Điều này có thể tạo ra các phân tử hữu cơ phức tạp hơn, có lẽ bắt đầu từ CH4, có mặt rộng rãi trong môi trường giữa các vì sao. Mặc dù áp suất và nhiệt độ ngự trị trên Trái đất và trên các hành tinh trong cái gọi là vùng có thể ở được thường khá cao, trong khi hầu hết các nghiên cứu về các quá trình vũ trụ chỉ được mô phỏng trong điều kiện chân không và ở nhiệt độ cực thấp. Ngược lại, nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã nghiên cứu phản ứng của CH4 ở nhiệt độ phòng trong pha khí và pha nước dưới sự chiếu xạ bằng bộ phát coban-60.
Thành phần của các sản phẩm thay đổi tùy thuộc vào vật liệu ban đầu. CH4 tinh khiết phản ứng rất thấp để tạo ra etan, propan và hydro. Việc bổ sung oxy làm tăng quá trình chuyển đổi, chủ yếu tạo ra CO2 cũng như CO, etilen và nước. Khi có nước, CH4 trong nước phản ứng để tạo ra axeton và tertiary butyl alcohol; trong pha khí, nó tạo ra etan và propan. Khi cả nước và oxy được thêm vào, các phản ứng được đẩy nhanh mạnh mẽ. Trong pha nước, fomanđehit, axit axetic và axeton được hình thành. Nếu amoniac cũng được thêm vào, axit axetic sẽ tạo thành glycine và một loại axit amin. Huang cho biết dưới bức xạ gamma, glycine có thể được tạo ra từ CH4, oxy, nước và amoniac, các phân tử có số lượng lớn trong không gian. Nhóm nghiên cứu đã phát triển một sơ đồ phản ứng giải thích các con đường mà các sản phẩm riêng lẻ được hình thành. Các gốc oxy (∙O2−) và ∙OH đóng vai trò quan trọng trong quá trình này. Tốc độ của các cơ chế phản ứng gốc này không phụ thuộc vào nhiệt độ và do đó cũng có thể diễn ra trong không gian.
Nguồn: Hóa học ứng dụng (2024). DOI: 10.1002/anie.202413296
Ngoài ra, nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng nhiều hạt rắn khác nhau là thành phần của bụi giữa các vì sao silicon dioxide, sắt oxit, magie silicat và graphene oxide, làm thay đổi tính chọn lọc của sản phẩm theo những cách khác nhau. Do đó, thành phần đa dạng của bụi giữa các vì sao có thể đã góp phần vào sự phân bố không đồng đều của các phân tử trong không gian. Silicon dioxide dẫn đến quá trình chuyển đổi chọn lọc hơn từ CH4 thành axit axetic. Huang cho biết, vì bức xạ gamma là nguồn năng lượng dễ kiếm, an toàn và bền vững, nên đây có thể là một cách tiếp cận mới để sử dụng CH4 làm nguồn cacbon có thể được chuyển đổi hiệu quả thành các sản phẩm có giá trị gia tăng trong điều kiện nhẹ nhàng, thách thức lâu dài đối với hóa học tổng hợp công nghiệp.
Từ khóa: gamma; mê-tan; CH4;
– CMD –
