Các nhà nghiên cứu đã giải đáp được bí ẩn làm đau đầu giới khoa học suốt 80 năm qua: cấu trúc tinh thể của tetra-n-butylammonium bromide (TBAB) hydrat TBAB·26H2O. Chất này thuộc nhóm vật liệu tinh thể gọi là hydrat semiclathrate, hình thành từ sự kết hợp của các ion và nước. Kể từ khi được phát hiện vào năm 1940, hydrat TBAB này đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng, bao gồm cả điều hòa không khí. Việc hiểu được cấu trúc tinh thể của hydrat semiclathrate sẽ giúp các nhà khoa học sử dụng hydrat TBAB tốt hơn. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Crystal Growth & Design vào ngày 17/7/2025.
Từ những thập kỷ trước, hydrat tetra-n-butylammonium bromide (TBAB) đã được sử dụng rộng rãi do dễ điều chế, chỉ cần làm lạnh nước. Tuy nhiên, cấu trúc tinh thể chính xác của nó vẫn là một bí ẩn chưa được giải đáp trong 80 năm, cản trở cả các nhà khoa học và kỹ sư trong nỗ lực thiết kế vật liệu hoàn chỉnh và tối ưu hóa ứng dụng. Điều này làm nổi bật tính phức tạp và tầm quan trọng thực tế của việc hiểu biết về vật liệu này, đồng thời nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hiểu cấu trúc của nước. Nghiên cứu vừa công bố đã tiến hành phân tích cấu trúc tinh thể xác định của hydrat TBAB·26H2O bằng bức xạ synchrotron. Cấu trúc này được phát hiện có mạng tinh thể tứ giác với một nhóm không gian 𝑃 4 ¯ 2 1 𝑐 và kết hợp TBA vào các cụm nước hình mười hai mặt (lồng D) được kích hoạt như một chất giữ.
Bức xạ synchrotron là loại bức xạ điện từ được tạo ra khi các hạt mang điện (như electron) chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng trong một quỹ đạo cong dưới tác dụng của trường từ. Quá trình này thường xảy ra trong các máy gia tốc hạt, đặc biệt là máy synchrotron, nơi các hạt được gia tốc trong các vòng tròn lớn. Đặc điểm chính của bức xạ synchrotron:
- Cường độ cao: Cường độ sáng rất mạnh, gấp hàng triệu lần so với các nguồn bức xạ thông thường.
- Phổ rộng: Phổ bức xạ trải dài từ tia hồng ngoại, ánh sáng khả kiến đến tia X và tia gamma.
- Tính phân cực và định hướng cao: Bức xạ có hướng phát ra rõ rệt và thường có tính phân cực cao.
- Xung ngắn: Có thể được tạo ra dưới dạng các xung rất ngắn (picosecond đến femtosecond).
Ứng dụng:
- Vật liệu học: Nghiên cứu cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X.
- Sinh học phân tử: Xác định cấu trúc protein, DNA.
- Hóa học: Theo dõi các phản ứng hóa học nhanh.
- Y học: Chụp ảnh y học phân giải cao, phát triển thuốc.
- Khoa học môi trường, năng lượng, nano: Quan sát vật liệu ở cấp độ nguyên tử.
Trong 80 năm, cấu trúc tinh thể của hydrat TBAB (TBAB·26H2O) vẫn chưa được hiểu biết hết, mặc dù có tầm quan trọng trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng nhiệt. Sự mơ hồ về cấu trúc này đã cản trở hiểu biết khoa học lẫn việc tối ưu hóa thực tế của vật liệu. Các vật liệu chức năng gốc nước bao gồm hydrogel, polyme nước, tinh thể lỏng và hydrat clathrat tận dụng các đặc tính độc đáo của nước và được sử dụng trong nhiều quy trình công nghiệp. Nước rất dồi dào và bền vững, khiến chúng trở thành một phần quan trọng của các quy trình công nghiệp bền vững. TBAB·26H2O là hydrat bán clathrat có thể lưu trữ năng lượng mát ở nhiệt độ phù hợp cho các ứng dụng điều hòa không khí. Nó được tạo thành từ một phân tử TBAB bao quanh bởi một lồng các phân tử nước liên kết hydro.
Trong khi các hydrat bán clathrat khác với phân tử khách TBAB đã được khám phá cấu trúc, cấu trúc tinh thể của TBAB·26H2O vẫn còn là một bí ẩn mặc dù được sử dụng rộng rãi. Các nghiên cứu trước đây đã gợi ý về cấu trúc mạng tứ giác, nhưng điều này không thể giải thích đầy đủ tất cả các tính chất của TBAB·26H2O. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một thiết bị bức xạ synchrotron có tên là Super Photon ring-8, hay SPring-8 tại Sayo, Nhật Bản. Trong quá trình chiếu xạ synchrotron, các hạt tích điện di chuyển theo một đường cong và giải phóng bức xạ điện từ. Cấu trúc của tứ giác hydrat TBAB là cấu trúc hydrat loại III của Jeffrey, một trong những loại đã biết, nhưng có những đặc điểm độc đáo. Nó có thành phần giống hệt với thành phần được tìm thấy trong một hydrat bán clathrat khác của TBA có tên là TBA(NO3), nhưng với sự sắp xếp khác biệt dẫn đến tinh thể đặc hơn.
Việc hiểu được cấu trúc mới này hé lộ các đặc tính lưu trữ nhiệt của TBAB·26H2O, có thể được áp dụng cho nhiều ứng dụng thực tế. Đặc biệt, nghiên cứu này mở ra những lựa chọn mới cho việc thiết kế vật liệu lưu trữ nhiệt dựa trên hydrat. Đây là một phát hiện quan trọng có thể giúp giảm phát thải CO2. Cấu trúc này cũng giải thích các đặc tính lưu trữ nhiệt của vật liệu và cung cấp các nguyên tắc thiết kế mới cho các vật liệu chức năng gốc hydrat. Việc hiểu rõ cấu trúc này mở ra cánh cửa cho việc thiết kế khả năng lưu trữ nhiệt tốt hơn và các ứng dụng liên quan. Các nhà nghiên cứu dự định sử dụng cấu trúc tinh thể của hydrat TBAB để tạo ra các vật liệu gốc nước tiên tiến và đóng góp vào các công nghệ tiết kiệm năng lượng, chẳng hạn như điều hòa không khí, tách khí và thu giữ carbon.
Từ khóa: synchrotron;
– CMD –
