Nguyên tố Vàng từ y học đến công nghệ nano

Từ “vàng” có nguồn gốc từ tiếng Latinh “aurum”. Đây là một nguyên tố có lịch sử lâu đời nhưng khá bí ẩn. Ví dụ, vàng là một trong 12 nguyên tố trên bảng tuần hoàn hóa học mà người phát hiện nó chưa được biết đến. Các nguyên tố còn lại bao gồm carbon, lưu huỳnh, đồng, bạc, sắt, thiếc, antimon, thủy ngân, chì, kẽm và bitmut.

Mặc dù chúng ta không biết rõ ai đã phát hiện ra vàng, nhưng có bằng chứng cho thấy người Ai Cập cổ đại sử dụng nó từ năm 3000 trước Công nguyên. Ví dụ, mặt nạ của Pharaoh Ai Cập Tutankhamun là một trong những đồ tạo tác nổi tiếng nhất của thế giới cổ đại. Chiếc mặt nạ này dài 54cm, rộng 39,3cm và sâu 49cm. Nó được đúc hoàn toàn bằng vàng, nặng tổng cộng 10,23kg.

Trong lịch sử, công dụng chính của vàng là làm đồ trang sức hoặc đúc tiền. Vàng cũng được tìm thấy trong những tác phẩm nghệ thuật cổ đại và hiện đại. Cụ thể, người ta dùng các lá vàng vào mục đích trang trí hoặc sử dụng vàng trong quá trình điều chế một số loại bột màu, ví dụ như màu hồng ngọc và tím.

Vàng là một kim loại quý và nhiều người coi nó là biểu tượng của sự giàu có. Vì vậy trong nhiều thế kỷ, các nhà giả kim đã cố gắng tạo ra vàng từ những nguyên tố cơ bản khác. Nhưng các nỗ lực của họ đều thất bại.

Nam Phi từng là quốc gia sản xuất vàng hàng đầu thế giới, chỉ riêng năm 1970 đã khai thác hơn 1.000 tấn. Tuy nhiên, sản lượng khai thác vàng hằng năm của Nam Phi giảm đều đặn kể từ đó. Ba quốc gia sản xuất vàng hàng đầu trong năm 2017 là Trung Quốc, Úc và Nga, với tổng sản lượng gần 1.000 tấn. Nam Phi đã tụt xuống vị trí thứ 8, thậm chí bị Peru và Indonesia qua mặt. Hiện nay, Trung Quốc là quốc gia sản xuất vàng lớn nhất thế giới (khoảng 426 tấn/năm), chiếm tới 13% sản lượng khai thác toàn cầu.

Trong thời kỳ hiện đại, ngoài việc sử dụng làm đồ trang sức và tiền đúc, người ta đã ứng dụng các đặc tính hóa học của vàng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, từ nghiên cứu dược phẩm cho đến công nghệ nano. Những công nghệ mới dùng đến vàng sẽ góp phần thúc đẩy thế giới phát triển hơn trong tương lai.

Trong số 118 nguyên tố trong bảng tuần hoàn, có chín nguyên tố tự nhiên mà đồng vị phóng xạ của nó được sử dụng trong lĩnh vực y học hạt nhân. Mặc dù vàng không có tính phóng xạ, nhưng nguyên tố này vẫn rất hữu ích trong y học, khi rất nhiều loại thuốc chứa thành phần vàng.

Hiện nay, có hai loại thuốc chứa vàng được sử dụng để điều trị bệnh viêm khớp dạng thấp. Một là các phân tử thiolate vàng có trong thành phần của những loại thuốc tiêm như Myocrisin, Solganol và Allocrysin. Loại còn lại là một phức hợp uống mang tên Auranofin.

Vàng cũng ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong công nghệ nano. Vật liệu nano là loại vật liệu có ít nhất một trong ba chiều kích thước [dài, rộng, cao] nhỏ hơn 100 nanomet (nm). Về nguyên tắc, bất kỳ vật liệu nào cũng có thể điều chế thành vật liệu nano. Công nghệ nano rất hữu ích vì nó không bị giới hạn ở một vật liệu cụ thể mà là một thuộc tính cụ thể: thuộc tính về kích thước.

Ví dụ, vàng ở dạng khối có màu vàng đặc trưng. Nhưng khi nó bị chia thành những mảnh rất nhỏ, nó bắt đầu thay đổi màu sắc [từ màu đỏ đến tím], tùy thuộc vào kích thước tương đối của các hạt nano vàng. Các hạt nano như vậy có một loạt ứng dụng khác nhau, ví dụ như trong lĩnh vực y sinh hoặc quang điện tử.

Một phát hiện thú vị khác trong công nghệ nano liên quan đến vàng xảy ra vào năm 1983. Các nhà khoa học nhận thấy, nếu nhúng một bề mặt vàng không nhiễm tạp chất vào dung dịch chứa thiolate sẽ tạo thành một đơn lớp tự lắp ráp (SAMs) phủ bên ngoài. SAMs làm thay đổi bề mặt của vàng theo những cách khác nhau. Những nghiên cứu về sự thay đổi của bề mặt vật liệu rất quan trọng, bởi vì bề mặt vật liệu có thể thể hiện các đặc tính rất khác so với phần vật liệu còn lại nằm ở sâu bên trong. Đây là tiền đề để tạo ra các vật liệu với những tính chất mới, có thể áp dụng ngay vào đời sống.

Các hạt nano vàng cũng là một chất xúc tác hiệu quả. Chất xúc tác là tác nhân làm tăng tốc độ phản ứng hóa học, qua đó làm giảm mức năng lượng cần thiết cho phản ứng mà bản thân nó không trải qua bất kỳ sự thay đổi hóa học vĩnh viễn nào. Điều này rất quan trọng bởi vì chất xúc tác góp phần tạo ra nhiều sản phẩm mà chúng ta sử dụng ngày nay. Ví dụ, một chất xúc tác giúp chuyển đổi propylene thành propylene oxide, đây là bước đầu tiên để tạo ra chất chống đông.

Hai khám phá vào những năm 1980 đã khiến các nhà khoa học nhìn nhận khác về chất xúc tác vàng. Nhà nghiên cứu Masatake Haruta tại Viện Nghiên cứu Công nghiệp Nhật Bản đã tạo ra các oxit hỗn hợp chứa vàng. Chúng là chất xúc tác có thể oxy hóa carbon monoxide (CO) độc hại thành carbon dioxide (CO2). Ngày nay, chất xúc tác này được tìm thấy trong khí thải của xe.

Cùng lúc đó, nhà hóa học Graham Hutchings – người từng làm việc trong ngành công nghiệp ở Johannesburg, Nam Phi – đã phát hiện một chất xúc tác từ vàng, mang lại hiệu quả tốt nhất cho quá trình hydrochloro hóa acetylene, tạo ra monome vinyl clorua. Đây là tiền đề quan trọng để sản xuất nhựa PVC, loại nhựa được sử dụng trong hầu hết các đường ống dẫn nước ngày nay. Trước đó, chất xúc tác công nghiệp cho quá trình này là thủy ngân clorua độc hại, có khả năng gây ô nhiễm môi trường.

Tất nhiên, vàng vẫn còn nhiều tính chất đặc biệt và nhiều công dụng chưa được khám phá. Trong vài năm tới, chúng ta sẽ tiếp tục khai thác cách sử dụng nguyên tố này trong y học, công nghệ nano và xúc tác. Chúng ta cũng sẽ tìm thấy những ứng dụng mới của nó trong hóa học lượng tử, khoa học bề mặt (tính chất vật lý và hóa học của các bề mặt và cách chúng tương tác), quang hóa và nhiều lĩnh vực khác.