Tìm ra lời giải cho sự biến mất bí ẩn của khí xenon

Hầu hết lượng khí xenon mà các nhà khoa học dự đoán là sẽ có mặt trong tầng khí quyển của Trái Đất thì lại đang bị thiếu hụt một cách bí ẩn. Nhưng giờ đây có thể họ đã tìm ra câu trả lời cho vấn đ̉ề hóc búa này: Xenon là một loại khí hiếm, nó thường không liên kết hóa học với các nguyên tố khác, tuy nhiên nó có thể đã phản ứng với sắt và niken trong lõi Trái Đất và bị giữ lại trong đó.

Tương tự các khí hiếm khác như heli và neon, xenon là khí trơ về mặt hóa học. Vì vậy, từ lâu nay các nhà khoa học đã tiến hành những thí nghiệm phân tích xenon để tìm hiểu sự tiến hóa của Trái Đất và bầu khí quyển.

Nhưng các nhà khoa học đã rất ngạc nhiên khi phát hiện thấy hàm lượng xenon trong khí quyển chưa bằng 10% mức mà họ đã dự đoán dựa trên hàm lượng các khí hiếm khác như argon và kripton.

Trong suốt một thời gian dài, sự biến mất của khí xenon là một câu hỏi chưa được giải đáp đối với các nhà khoa học. Một số nhà nghiên cứu cho rằng, lượng xenon này có thể đã thoát ra khỏi bầu khí quyển Trái Đất và đi vào không gian vũ trụ. Nhiều ý kiến khác lại cho là xenon đang ẩn nấp đâu đó trong lòng Trái Đất. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn chưa tìm thấy có cách nào để xenon có thể được lưu trữ ở dạng bền hóa học bên trong lòng Trái Đất. Ví dụ, băng đá hoặc trầm tích không thể lưu giữ xenon, như vậy có nghĩa là nó chỉ có thể thoát ra ngoài bầu khí quyển.

Nhiều nghiên cứu trước đây cho rằng lõi Trái Đất có thể chứa xenon. Nhưng mọi nỗ lực để chứng tỏ điều đó đ̉ều đã thất bại.

Phần lõi Trái Đất chiếm khoảng 1/3 toàn bộ khối lượng hành tinh xanh của chúng ta, thành phần chủ yếu của lõi này là sắt (Fe) và niken (Ni). Vào năm 1997, một số nhà khoa học đã công bố nhiều thí nghiệm chứng minh rằng xenon không phản ứng với sắt.

Nhưng sau khi phân tích kĩ, các nhà khoa học tại Đại học Cát Lâm (Trung Quốc) đã phát hiện ra rằng, những thí nghiệm nói trên chỉ được thực hiện ở môi trường có áp suất tối đa 150 GPa, thấp hơn rất nhiều áp suất 360 GPa tại lõi Trái Đất (1 GPa cao gấp chín lần áp suất ở đáy Rãnh Mariana – nơi sâu nhất trong các đại dương).

Dựa trên lý thuyết, các nghiên cứu trước đây cũng đã bỏ qua những gì có thể xảy ra khi xenon bị giữ ở áp suất lớn trong lõi Trái Đất, do đó đã kết luận rằng xenon không phản ứng với sắt, mà tạo thành một “mạng lưới hình lục giác khép kín” – đó là một mạng lưới nguyên tử có dạng giống như một khối hộp, với đỉnh và đáy là hình lục giác và các mặt bên là hình chữ nhật. Sở dĩ có giả định này là vì các nguyên tử sắt thường hình thành loại cấu trúc như vậy với các nguyên tử sắt khác.

Theo lý giải của các nhà hóa học thuộc Đại học Cát Lâm, nếu cấu trúc của các hợp chất sắt – xenon khác nhau thì chúng có thể tạo thành một hợp chất. Các tính toán của họ cho thấy, tại nhiệt độ và áp suất cực lớn như ở lõi Trái Đất, xenon có thể liên kết với cả sắt và niken. Hai trạng thái bền nhất của các phân tử này là phân tử gồm có một nguyên tử xenon và ba nguyên tử sắt (XeFe₃), hoặc gồm có một nguyên tử xenon và ba nguyên tử niken (XeNi₃). XeFe₃ có cấu trúc mạng tinh thể hình lập phương, còn XeNi₃ tạo thành mạng nguyên tử có đỉnh và đáy là hình lục giác còn các mặt bên là hình tam giác.

Phát hiện nói trên cho thấy lõi Trái Đất có thể đang giữ toàn bộ lượng xenon bị thiếu so với tính toán. Các nhà khoa học hy vọng rằng, trong tương lai họ có thể tiến hành những thí nghiệm trong môi trường áp suất cao để khẳng định dự đoán này. Họ cho biết, có thể tạo ra áp suất cao như vậy bằng cách ép các vật thể giữa các viên kim cương.

Nhưng những thí nghiệm ở áp suất cao thường phải được thực hiện ở nhiệt độ trên 6000^oK (tương đương 10340oF hoặc 5727^oC). Nếu không được kiểm soát nghiêm ngặt, nhiệt độ ở mức cao đó có thể làm rạn vỡ những viên kim cương dùng để tạo áp suất. Đây có thể sẽ là trở ngại lớn nhất cho các thí nghiệm loại này.