Con người có thể tạo ra vàng nhân tạo hay không?

Nói ngắn gọn, vàng tổng hợp hay còn gọi là vàng nhân tạo là những loại vàng được sản xuất trong phòng thí nghiệm bởi con người chứ không phải vàng hình thành từ tự nhiên. Một khi vàng tổng hợp ra đời, “cơn đói vàng” sẽ hạ nhiệt rất nhanh trong những ngành công nghiệp khác nhau, lấy ví dụ như trong ngành trang sức hoặc bán dẫn.

Theo Hội đồng Vàng Thế giới, đến cuối năm 2025, tổng lượng vàng khai thác trên toàn cầu ước tính khoảng 216.000 đến 220.000 tấn. Vàng không chỉ là biểu tượng của sự giàu có mà còn là một trong những nguyên liệu thô quan trọng nhất trong công nghiệp.

Nhờ khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tuyệt vời cùng tính dẻo dai, nó được sử dụng rộng rãi trong điện thoại di động, chip, lớp phủ hàng không vũ trụ và thậm chí cả stent tim.

Vậy vàng đến từ đâu?

Oxy, carbon và sắt xung quanh chúng ta đều được tạo ra bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân trong “lò luyện” của các ngôi sao, nhưng các ngôi sao có giới hạn trên rõ ràng, chúng dừng lại ở sắt.

Vàng nặng hơn sắt rất nhiều, và để tạo ra nó không những phải giải phóng năng lượng mà còn cần tiêu thụ một lượng năng lượng khổng lồ – một điều kiện mà ngay cả những ngôi sao lớn nhất trong giải ngân hà cũng khó lòng đáp ứng được.

Cho đến năm 2017, các nhà thiên văn học cuối cùng đã tìm ra câu trả lời: “vàng thực chất được hình thành từ sự va chạm của hai sao neutron”. Sao neutron là tàn dư còn lại sau khi các ngôi sao khổng lồ chết đi.

Có thể bạn quan tâm.

• Kiến thức về Vàng mà có thể bạn chưa biết.

Một sao neutron điển hình có đường kính 20 km (khoảng bằng kích thước một thành phố), nhưng khối lượng của nó tương đương với 1,4 lần khối lượng Mặt Trời; một thìa nhỏ của nó sẽ nặng hàng trăm triệu tấn.

Vụ va chạm ngày 17 tháng 8 năm 2017, cách Trái Đất 130 triệu năm ánh sáng, đã được hơn 70 kính viễn vọng trên toàn thế giới quan sát đồng thời, trực tiếp xác nhận rằng một lượng lớn kim loại quý như vàng và bạch kim đã bị bắn ra sau vụ va chạm.

Nhưng vàng bên trong ngôi sao đến từ đâu? Các nhà khoa học tin rằng hàng trăm triệu năm trước, một nhóm các thiên hà đã va chạm, tạo ra một dòng sông khí rộng 600.000 năm ánh sáng (gấp sáu lần đường kính của Dải Ngân hà).

Các thiên hà nhỏ dần dần hình thành bên trong dòng sông khí này. Hai ngôi sao trong các thiên hà nhỏ này đã chết và trở thành sao neutron, sau đó chúng va chạm, tạo ra một lượng vàng được phân tán khắp vũ trụ.

Hóa ra, đồ trang sức bằng vàng chúng ta đeo và các thành phần vàng chúng ta sử dụng đều bắt nguồn từ những vụ va chạm dữ dội trong vũ trụ hàng tỷ năm trước, vàng nguyên chất được chính vũ trụ tinh luyện, một sản phẩm đến từ những “trận chiến của thần vũ trụ”.

Và… Con người dang cố gắng nghiên cứu vàng nhân tạo.

Những khái niệm như “biến chì thành vàng” và “giả kim thuật” hay “tổng hợp vàng từ các nguyên tố khác” dường như chỉ tồn tại trong thần thoại và truyền thuyết, nhưng từ góc độ khoa học, vàng thực sự có thể được tổng hợp nhân tạo.

Đánh giá từ góc độ vật lý và hóa học, vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử, và các nguyên tử được cấu tạo từ Proton, Neutron và Electron. Số lượng Proton quyết định loại nguyên tố. Nguyên tử vàng có 79 Proton. Nếu số lượng Proton trong các nguyên tử của các nguyên tố khác có thể giảm xuống còn 79, vàng có thể được tổng hợp.

Trên thực tế, các nhà khoa học đã làm được điều đó. Năm 1980, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley ở Hoa Kỳ đã sử dụng máy gia tốc hạt năng lượng cao để tăng tốc các hạt đến gần tốc độ ánh sáng và bắn phá hạt nhân của các nguyên tử Bismuth (có 83 proton). Một số nguyên tử bismuth đã mất proton và trở thành vàng.

Năm 1997, nhà khoa học Nhật Bản Takaaki Matsumoto đã chiếu xạ 1,34 tấn thủy ngân bằng tia gamma năng lượng cao và thu được thành công 744 gram vàng sau 70 ngày. Thủy ngân (có 80 proton) đã mất đi một proton và trở thành vàng.

Vậy, nếu có thể tổng hợp vàng nhân tạo, tại sao chúng ta chưa từng nghe đến nó trong cuộc sống hàng ngày, và tại sao chưa ai làm giàu từ nó?

Chủ yếu là vì chi phí tổng hợp vàng quá cao. Tổng hợp vàng bằng máy gia tốc hạt năng lượng cao đòi hỏi thiết bị cực kỳ đắt tiền, có giá ít nhất 100 triệu đô la mỗi chiếc, và tỷ lệ thành công thấp, với mức độ ngẫu nhiên cao, khiến việc đảm bảo sản xuất ra các nguyên tử vàng là không thể.

Sử dụng tia gamma năng lượng cao để chiếu xạ thủy ngân có chu kỳ sản xuất rất dài, khiến cho đầu tư và sản lượng hoàn toàn không tương xứng.

Tóm lại, nguồn nhân lực, vật lực và tài chính cần thiết để tổng hợp vàng vượt xa giá trị của chính vàng, chẳng ai lại muốn làm một việc thua lỗ như vậy?

Con người đã nỗ lực như nào?

Đã có ba thí nghiệm được ghi nhận do các nhóm khoa học hàng đầu thực hiện. Thí nghiệm đầu tiên, vào năm 1941 tại Hoa Kỳ, là lần chuyển đổi thành công thủy ngân thành vàng bằng máy gia tốc hạt do một nhóm nghiên cứu tại Bainbridge thuộc Đại học Harvard thực hiện.

Trong thí nghiệm này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng máy gia tốc hạt hình vòng đường kính 5 mét để bắn phá 2 tấn đồng vị thủy ngân-196 (với độ phong phú tự nhiên chỉ 0,15%) bằng các proton ở tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, khiến các hạt nhân tách ra một proton và tạo ra vàng-197.

Toàn bộ thí nghiệm kéo dài 72 giờ và tạo ra 700 gram vàng, với tổng chi phí tương đương khoảng 2,3 tỷ nhân dân tệ vào năm 2025, tức là 214.000 nhân dân tệ mỗi gram, gấp 320.000 lần giá thị trường của vàng vào thời điểm đó.

Thí nghiệm thứ hai được tiến hành vào năm 1980 tại Hoa Kỳ, nơi một nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley đã cố gắng bắn phá một khối chì bằng chùm neutron mật độ cao được tạo ra bởi một lò phản ứng hạt nhân.

Hạt nhân chì 208 trải qua quá trình phân rã beta dưới sự bắn phá của neutron, cuối cùng biến đổi thành vàng 197 thông qua quá trình bắt giữ neutron và tách electron.

Thí nghiệm này tiêu thụ năng lượng tương đương với lượng điện được sản xuất trong ba ngày ở Bắc Mỹ, với chi phí vượt quá 100 nghìn tỷ đô la mỗi gram, và các sản phẩm chứa các đồng vị phóng xạ cực độc như thallium-204.

Mặc dù thí nghiệm này đã chứng minh tiềm năng của các con đường phản ứng hạt nhân đối với các nguyên tố nặng, nhưng chi phí khổng lồ và ô nhiễm phóng xạ đã dẫn đến việc hoàn toàn từ bỏ phương pháp này.

Thí nghiệm thứ ba được tiến hành vào năm 1997 tại Nhật Bản bởi một nhóm do Takaaki Matsumoto dẫn đầu tại Thành phố Khoa học Tsukuba.

Họ đã sử dụng 128 nguồn phóng xạ coban-60 để phát ra tia gamma 2,5 MeV, chiếu xạ liên tục 1,34 tấn thủy ngân trong 70 ngày. Các hạt nhân thủy ngân mất proton dưới tác động của photon, tạo ra 744 gam vàng với độ tinh khiết 99,95%.

Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi chỉ dưới 40%, và lượng thủy ngân còn lại không thể sử dụng được do nhiễm bẩn đồng vị (như thủy ngân-194 và thủy ngân-198).

Dựa trên mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị và chi phí nguyên liệu thô, chi phí trên mỗi gam vượt quá giá thị trường gấp 450.000 lần.

Thí nghiệm này cho thấy những hạn chế về quy mô của việc tổng hợp vàng nhân tạo: sự hình thành vàng từ các mỏ thủy ngân tự nhiên cần 2,6 tỷ năm phản ứng tổng hợp hạt nhân, trong khi con người đã rút ngắn quá trình này xuống còn 70 ngày bằng công nghệ tiên tiến, với cái giá là làm tăng yêu cầu về mật độ năng lượng lên 14 bậc độ.

Do đó, thông qua những nỗ lực không ngừng của các nhà khoa học hàng đầu, một sự thật không thay đổi đã được phát hiện: chi phí tổng hợp vàng ít nhất đắt hơn hàng trăm nghìn lần so với giá trị của vàng tại thời điểm đó, và đương nhiên, không ai muốn tham gia vào một hoạt động kinh doanh thua lỗ.

Và cho đến bây giờ, mặc dù con người đã có trong tay công nghệ tạo ra vàng nhân tạo nhưng nó vẫn chưa hoàn thiện và chưa khả thi về mặt chi phí sản xuất. Có lẽ chúng ta nên chờ đợi trong tương lai.