Trung Quốc phát hiện ra siêu vật liệu trên Mặt trăng

Năm 2004, các nhà khoa học tại Đại học Manchester (Anh) lần đầu tiên phân lập và nghiên cứu graphene, siêu vật liệu bao gồm các nguyên tử carbon một lớp được sắp xếp theo mạng lưới tổ ong hình lục giác.

Kể từ đó, graphene đã trở thành một thứ kỳ diệu, với các đặc tính khiến siêu vật liệu này cực kỳ hữu ích trong nhiều ứng dụng. Các nhà khoa học thường tin rằng khoảng 1,9% carbon trong môi trường giữa các vì sao (ISM) tồn tại dưới dạng graphene, với hình dạng và cấu trúc được xác định bởi quá trình hình thành của nó.

Thực tế là có thể có rất nhiều siêu vật liệu này trên bề mặt Mặt trăng. Trong một công trình gần đây, các nhà nghiên cứu từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) đã khám phá ra graphene hình thành tự nhiên được sắp xếp theo cấu trúc lớp mỏng đặc biệt trên Mặt trăng.

Những phát hiện này có thể có ý nghĩa to lớn đối với sự hiểu biết của chúng ta về cách Mặt trăng hình thành và mở đường cho các phương pháp sản xuất graphene mới, với các ứng dụng từ điện tử, lưu trữ năng lượng, xây dựng và siêu vật liệu.

Chúng cũng có thể hữu ích cho việc xây dựng cơ sở hạ tầng lâu dài trên bề mặt Mặt trăng.

Nhóm nghiên cứu được chỉ huy bởi giáo sư Wei Zhang và Meng Zou từ Phòng thí nghiệm trọng điểm về Kỹ thuật sinh học và Phòng thí nghiệm trọng điểm về Vật liệu năng lượng sạch hiệu suất cao thuộc chương trình Hợp tác quốc tế tỉnh Cát Lâm, kỹ sư Xiujuan Li từ Đại học Cát Lâm và Wencai Ren từ Viện nghiên cứu kim loại (CAS-ISM) thuộc CAS.

Họ tham gia cùng các đồng nghiệp từ nhiều Phòng thí nghiệm trọng điểm tại Đại học Cát Lâm, CAS-ISM, Phòng thí nghiệm thám hiểm không gian sâu và Trung tâm thám hiểm Mặt trăng và kỹ thuật không gian. Báo cáo mô tả những phát hiện của họ đã xuất hiện trên Tạp chí Khoa học quốc gia.

Trong nhiều thập niên, các nhà khoa học đã suy đoán rằng hệ thống Trái đất-Mặt trăng được hình thành từ một vụ va chạm lớn - Giả thuyết vụ va chạm khổng lồ - giữa một thiên thể có kích thước bằng sao Hỏa (Theia) và Trái đất nguyên thủy cách đây khoảng 4,4 tỉ năm.

Giả thuyết này phù hợp phân tích từ đá mặt trăng do các phi hành gia tàu Apollo mang về cho rằng Mặt trăng là nơi nghèo carbon. Tuy nhiên, giả thuyết này đã bị những phát hiện gần đây thách thức dựa trên quan sát về dòng ion carbon trên Mặt Trăng, cho thấy sự hiện diện của carbon bản địa. Trong nghiên cứu mới đây, nhóm các nhà khoa học Trung Quốc đã tiến hành phân tích quang phổ một mẫu đất hình ô liu trên Mặt Trăng (kích thước khoảng 2,9 mm x 1,6 mm) được tàu Thường Nga 5 thu thập vào năm 2020.

Đây là tàu robot thứ ba của Trung Quốc tiếp cận bề mặt Mặt Trăng và là mẫu đầu tiên được lấy về từ Mặt Trăng. Từ quang phổ thu được, họ tìm thấy một hợp chất sắt trong phần mẫu giàu carbon có liên quan chặt chẽ đến sự hình thành graphene.

Sau khi phân tích sâu hơn bằng các công nghệ lập bản đồ và hiển vi tiên tiến, họ xác nhận rằng carbon trong mẫu là các mảnh graphene dày từ hai đến bảy lớp.

Về cách graphene ra đời, nhóm nghiên cứu đề xuất rằng graphene có thể đã hình thành trong thời kỳ hoạt động núi lửa vào đầu lịch sử của Mặt Trăng khi nó vẫn còn hoạt động địa chất.

Họ còn đưa ra giả thuyết rằng graphene được xúc tác bởi gió mặt trời làm rung chuyển lớp đất mặt trăng và các khoáng chất chứa sắt, có thể giúp biến đổi cấu trúc nguyên tử của carbon.

Họ cũng không loại trừ khả năng xảy ra va chạm thiên thạch, được biết là tạo ra môi trường nhiệt độ và áp suất cao tương tự như hoạt động núi lửa. Các nhà khoa học Trung Quốc nêu trong báo cáo:

"Graphene tập hợp dưới dạng các mảnh riêng lẻ hoặc được hình thành như một phần của lớp vỏ carbon bao quanh các hạt khoáng chất. Kết quả của chúng tôi phát hiện một cấu trúc điển hình của carbon bản địa trên Mặt trăng và đề xuất cơ chế hình thành. Phát hiện này có thể giúp ta hiểu biết về các thành phần hóa học, các giai đoạn địa lý và lịch sử của Mặt trăng".

Những phát hiện này cũng có thể có tác động to lớn đến nghiên cứu trên Trái đất, nơi graphene đang được nghiên cứu phục vụ cho các ứng dụng từ điện tử, cơ học đến khoa học vật liệu.

Theo các nhà khoa học, nghiên cứu này có thể mở đường dẫn đến các phương pháp mới để sản xuất vật liệu với chi phí thấp và mở thêm cơ hội cho việc thám hiểm mặt trăng. Họ viết:

"Việc xác định graphene trong cấu trúc lõi-vỏ cho thấy một quá trình tổng hợp từ dưới lên thay vì bong tróc, thường liên quan đến phản ứng xúc tác ở nhiệt độ cao....

Quá trình hình thành graphene tự nhiên được xúc tác bằng khoáng chất, làm sáng tỏ các kỹ thuật tổng hợp để từ đó có thể mở rộng quy mô sản xuất graphene chất lượng cao chi phí thấp. Do đó, chúng ta có thể mong đợi chương trình thám hiểm mặt trăng mới sẽ được thúc đẩy và đón chờ một số đột phá sắp tới".

Những phát hiện này cũng có thể hữu ích cho các sứ mệnh trong tương lai thúc đẩy phát triển căn cứ trên bề mặt Mặt Trăng, gồm cả Chương trình Artemis của NASA, nhằm mục đích tạo ra một "chương trình khám phá và phát triển Mặt Trăng bền vững".

Ngoài ra còn có sáng kiến ​​Moon Village của ESA cũng như kế hoạch của Trung Quốc và Nga về một Trạm nghiên cứu Mặt Trăng quốc tế (ILRS). Ngoài việc khám phá và nghiên cứu khoa học, các chương trình này có thể tiến hành các thí nghiệm về tính chất và công dụng của graphene, gồm cả việc tạo môi trường sống trên Mặt Trăng.