Công nghệ ứng dụng quang phổ Mössbauer cho đến nay là công nghệ quan trọng và hiệu quả nhất được sử dụng trong các nghiên cứu ở phạm vi nano. Công nghệ này là công nghệ phân tích cho phép đo các mức năng lượng yếu nhất với nhiều ứng dụng thiết thực, đặc biệt trong lĩnh vực nghiên cứu vi khuẩn từ tính, dược lý, ăn mòn kim loại, địa chất, bảo tồn di sản văn hóa và phát triển chất xúc tác cho năng lượng hydro.
Quang phổ Mössbauer dựa trên sự cộng hưởng của tia gamma, do nhà khoa học người Đức Mössbauer phát hiện năm 1958. Khi các tia gamma phát ra từ một hạt nhân bị hấp thụ vào hạt nhân nguyên tử đồng nhất của mục tiêu phân tích, chúng ta có thể khảo sát các tia gamma bị hấp thụ để phân tích trạng thái hợp chất, cấu trúc tinh thể và dao động trường siêu mịn của vật liệu đích. Nhờ các đặc tính đó, quang phổ Mössbauer đã có những đóng góp có giá trị trong việc ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu trạng thái rắn, các nghiên cứu cơ bản trong vật lý, hóa học, luyện kim, sinh học và khoa học địa lý cũng như các ứng dụng khoa học vật liệu và công nghiệp.
Cho đến nay, quang phổ Mössbauer đã trở thành một công cụ quan trọng để nghiên cứu cấu trúc điện tử, tính chất liên kết, đối xứng phân tử, hành vi từ tính và chuyển pha ở trạng thái rắn, là cơ sở để xác định tất cả các loại vật liệu. Quang phổ Mössbauer cho phép phân tích pha không phá hủy, được sử dụng thường xuyên như một phương pháp “dấu vân tay” (fingerprint). Ngay cả những chất mà tiên nghiệm không chứa nuclide Mössbauer cũng đã được nghiên cứu rộng rãi bằng cách pha tạp mẫu với một lượng nhỏ nuclide thăm dò Mössbauer (ví dụ, 57Fe). Mặc dù hiệu ứng Mössbauer chỉ có thể quan sát được trong vật liệu rắn, nhưng lại không nhất thiết phải ở dạng kết tinh tốt, phổ Mössbauer thậm chí có thể được ghi lại của các dung dịch đông lạnh.
Quang phổ kế Mössbauer thế hệ thứ 4.
Hiệu ứng Mössbauer là sự hấp thụ và phát xạ tia γ cộng hưởng từ hạt nhân không giật, tương tự như sự cộng hưởng âm có cùng tần số. Một hạt nhân có số proton Z và neutron N ở trạng thái kích thích với năng lượng Ee và thời gian sống trung bình τ thường là 100 ns trải qua quá trình chuyển đổi sang trạng thái cơ bản, ví dụ bằng cách phát ra một lượng tử năng lượng Eγ = Ee – Eg. Lượng tử γ có thể bị hấp thụ bởi một hạt nhân cùng loại (cùng Z và N) ở trạng thái cơ bản của nó, theo đó diễn ra quá trình chuyển đổi sang trạng thái kích thích về năng lượng Ee (hấp thụ cộng hưởng). Quá trình chuyển đổi tiếp theo về trạng thái cơ bản lại phát ra một lượng tử γ (huỳnh quang cộng hưởng) hoặc một điện tử chuyển đổi e (với xác suất cao hơn gần mười lần so với phát xạ γ). Thời gian tồn tại trung bình τ xác định độ rộng Γ của các đường cộng hưởng bằng Γ x τ = ħ (ħ = h/2π là hằng số Planck).
Sự hấp thụ cộng hưởng chỉ có thể quan sát được nếu đủ các vạch phát xạ và hấp thụ trùng nhau. Bằng cách phát xạ hoặc hấp thụ γ-lượng tử có năng lượng Eγ trong nguyên tử hoặc phân tử chuyển động tự do (khí, lỏng), nguyên tử (phân tử) khối lượng m chịu hiệu ứng giật với năng lượng ER = E2γ/2mc2. Không thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng giữa các nguyên tử hoặc phân tử tự do. Do đó, hiệu ứng Mössbauer không thể quan sát được đối với các nguyên tử hoặc phân tử chuyển động tự do, tức là ở trạng thái khí hoặc lỏng. Ở trạng thái rắn, có thể phát xạ không giật và hấp thụ lượng tử γ và các đường chuyển tiếp không bị dịch chuyển về cơ bản có thể chồng lên nhau (ít nhất một phần) và có thể quan sát thấy hiện tượng hấp thụ cộng hưởng hạt nhân. Điều này đã được Rudolf Mössbauer chứng minh bằng thực nghiệm bằng cách làm lạnh nguồn và chất hấp thụ xuống nhiệt độ gần bằng nhiệt độ của nitơ lỏng, nơi các nguyên tử liên kết chặt chẽ trong mạng tinh thể và hiệu ứng giật bị triệt tiêu đáng kể. Mössbauer đã có thể hợp lý hóa hiện tượng này trên cơ sở cơ lượng tử và chỉ ra rằng, đối với một xác suất nhất định (tương đối cao ở vật liệu rắn và thấp ở vật liệu mềm), các nguyên tử dưới dạng mạng tinh thể dao động điều hòa không thay đổi trạng thái cơ lượng tử của chúng khi phát xạ hoặc hấp thụ γ-quanta (quá trình không phonon).
Hiệu ứng Mössbauer được phát hiện với tổng số gần 90 sự chuyển đổi tia γ trong 72 đồng vị của 42 nguyên tố khác nhau. Do một số tiêu chí (thời gian tồn tại của trạng thái kích thích hạt nhân, năng lượng chuyển tiếp, khả năng tiếp cận và xử lý), chỉ có 20 nguyên tố có thể được nghiên cứu bằng quang phổ Mössbauer, như sắt, thiếc, antimon, Tellurium, iot, vàng, niken, ruthenium, iridi, vonfram, krypton, xenon, nhiều nguyên tố đất hiếm và neptunium, trong đó “Mössbauer nuclide” nổi bật nhất là của 57Fe.
Phổ hấp thụ Mössbauer của 57Fe
Phương pháp phân tích quang phổ Mössbauer có thể được áp dụng để xác định trạng thái hợp chất của sắt. Đây chính là nguồn tạo màu trong phần lớn các di sản văn hóa như sắc tố của sơn được sử dụng trên các kiến trúc bằng gỗ hay men cho đồ gốm truyền thống. Phương pháp này cũng có thể được áp dụng cho việc kiểm tra không phá hủy (NDT) tại chỗ để đo chất lượng không khí với các hợp chất sắt và độ ẩm có thể ảnh hưởng đến các di sản được xây dựng bằng đá.
Đối với các nghiên cứu liên quan đến phát triển năng lượng hydro, phương pháp phân tích quang phổ Mössbauer cũng có thể áp dụng hiệu quả để phân tích các chất xúc tác cho năng lượng hydro. Quá trình đốt cháy hydro bằng cách kết hợp với oxy đòi hỏi các chất xúc tác làm từ kim loại đắt tiền như bạch kim. Quang phổ Mössbauer có khả năng hỗ trợ hiệu quả khi tiến hành phân tích các phản ứng xúc tác và góp phần phát triển các chất xúc tác thay thế platin.
Việc phát triển các ứng dụng của quang phổ Mössbauer sẽ góp phần to lớn vào việc bảo vệ các khu di sản văn hóa thông qua việc phân tích các đặc điểm vật liệu và phát triển các phương pháp bảo tồn. Ngoài ra, ứng dụng của quang phổ Mössbauer còn mang đến việc đa dạng hóa các nguồn năng lượng khi phát triển các chất xúc tác cần thiết cho việc sử dụng năng lượng hydro.
Ngoài các ứng dụng mới đó, quang phổ Mössbauer còn có nhiều ứng dụng thiết thực, cụ thể:
– Nghiên cứu vi khuẩn từ tính: Aquaspirillum magnetotacticum, một loại vi khuẩn từ tính sống trong đại dương, hoạt động như một la bàn từ sinh học và tuân theo trường địa từ yếu do sự hiện diện của các hạt nano từ tính Fe3O4 (40–120 nm) có hình lục giác và hình khối trong cơ thể của chúng. Phổ Mössbauer được ghi lại ở 200 K cho thấy hai sextet từ điển hình của Fe3O4, một Spinel nghịch đảo. Các tín hiệu được ghi nhận ở giữa quang phổ đề cập đến Fe (III) -HS (B) và Fe (II) -HS (C), được cho là đóng vai trò như một ổ chứa cho sự hình thành các hạt từ tính.
– Xác định các cụm sắt-lưu huỳnh trong các protein sắt có liên quan đến dược lý: Một trong những thành công lớn của ứng dụng quang phổ Mössbauer là xác định trạng thái điện tử của các tâm lưu huỳnh-sắt đa nhân. Gần đây, quang phổ Mössbauer đã được sử dụng để xác định tâm 4Fe-4S bất thường trong Lytb-protein, còn được gọi là IspH. Protein này rất quan trọng đối với quá trình sinh tổng hợp isoprenoids ở nhiều vi khuẩn và trong ký sinh trùng sốt rét Plasmodium falciparum. Ở những mầm bệnh này, sự tổng hợp isoprenoid xảy ra theo con đường methylerythritol phosphat (MEP), một sự thay thế cho con đường mevalonat ở sinh vật bậc cao và con người. Do đó, con đường MEP là mục tiêu có giá trị cho sự phát triển của các chất kháng khuẩn mới, vì nó cần thiết cho vi sinh vật và không có ở người.
– Các nghiên cứu về ăn mòn kim loại: Các oxit và oxyhydroxit khác nhau của sắt được gọi là sản phẩm ăn mòn, có thể được hình thành do quá trình ăn mòn thép, sắt kim loại và các hợp kim chứa sắt trong các điều kiện khác nhau. Các sản phẩm ăn mòn này có thể được phân biệt bằng quang phổ Mössbauer của 57Fe, ngay cả ở dạng các hạt phân tán cao (> ca 10 nm), nơi phép đo nhiễu xạ tia X dạng bột không còn được áp dụng nữa. Hình 10 cho thấy phổ Mössbauer của các sản phẩm ăn mòn thường xảy ra nhất. Quang phổ bên trái được ghi lại ở nhiệt độ phòng và xác định các hợp chất sắt thông qua hành vi từ tính của chúng. Quang phổ được hiển thị bên phải dành cho các hydroxit β- và γ-FeOOH. Quang phổ ghi ở nhiệt độ phòng là giống hệt nhau của hai hợp chất, nhưng khác khi ghi ở nhiệt độ thấp.
Phổ 57Fe Mössbauer của các sản phẩm ăn mòn khác nhau của sắt có thể được hình thành trong các điều kiện khác nhau
– Thám hiểm sao Hỏa: Sao Hỏa sở hữu màu sắc là các sắc tố oxit sắt trong lớp bụi bao phủ phần lớn bề mặt và bị phân tán trong bầu khí quyển. Lớp phủ và lớp vỏ sao Hỏa giàu sắt hơn so với Trái đất. Do đó, các Tàu thăm dò Sao Hỏa đều có máy quang phổ Mössbauer. Quang phổ Mössbauer mô tả đặc điểm của sự phân bố và đặc điểm của sắt trong đá và đất, hạn chế các loại đá và điều kiện kết tinh của các khoáng chất nguyên sinh cũng như mức độ và các con đường biến đổi và phong hóa địa chất sao Hỏa.
– Nghiên cứu Địa chất: Các khoáng chất gỉ màu xanh lục hỗn hợp hóa trị đóng một vai trò quan trọng trong các phản ứng oxy hóa khử trong nước ngầm thiếu khí và đất. Chúng rất nhạy cảm với oxy và do đó rất khó nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Các thiết bị quang phổ kế Mössbauer thể hiện được ưu điểm khi có thể khảo sát các chất đó ở tại hiện trường và trong các điều kiện khó khăn.
Từ khóa: Quang phổ Mössbauer; bức xạ gamma; phổ kế.
– CMD&DND –
