Astatine là gì? Tính chất, ứng dụng tiềm năng và bí ẩn của nguyên tố hiếm nhất hệ tuần hoàn

Chu Văn An

Astatine – nguyên tố có thể bạn chưa từng nghe đến – là một trong những bí ẩn lớn nhất của hóa học hiện đại. Với trữ lượng cực kỳ hiếm và tuổi thọ cực ngắn, astatin không thể được xử lý hoặc quan sát trực tiếp. Tuy nhiên, chính sự “vô hình” đó lại ẩn chứa một tiềm năng y học mang tính đột phá: tiêu diệt ung thư bằng năng lượng hạt nhân nguyên tử. Hãy cùng đi sâu tìm hiểu một yếu tố vừa ít được biết đến vừa có thể thay đổi nền y học thế giới trong thời gian sắp tới.

1. Astatine là gì?

Astatine (At) là nguyên tố phi kim có tính phóng xạ thuộc nhóm halogen, xếp thứ 85 trong bảng tuần hoàn. Nó là thành viên cuối cùng và nặng nhất của nhóm halogen, cùng với flo, clo, brom và iốt.

Lịch sử khám phá:

• Astatine được phát hiện vào năm 1940 tại Đại học California bằng kỹ thuật bắn phá hạt nhân – vào thời điểm Mỹ đang phát triển dự án Manhattan.

• Đây là nguyên tố cuối cùng trong tự nhiên được phát hiện mà không cần phải trải qua quá trình tổng hợp hóa học thông thường mà phải được tạo ra bằng công nghệ máy gia tốc hạt.

Nguồn gốc của tên:

• “Astatine” có nguồn gốc từ astos trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là “không ổn định”, mô tả chính xác bản chất của nguyên tố này – luôn phân hủy và biến mất sau vài giờ.

2. Tính chất vật lý và hóa học của Astatine

Mặc dù thuộc nhóm halogen nhưng astatine có những đặc tính khác biệt rõ rệt do ảnh hưởng của khối lượng nguyên tử lớn và tính phóng xạ mạnh.

Tính chất vật lý

• Ở nhiệt độ phòng, astatine có thể tồn tại dưới dạng rắn, có màu sẫm (tương tự iốt, nhưng đậm hơn).

• Có tính dẫn điện nhẹ, không bay hơi nhiều như các halogen nhẹ hơn.

• Do tính phóng xạ cao, các mẫu atatin tự nóng lên và phân rã nhanh chóng, khiến cho việc đo lường chính xác gần như không thể thực hiện được.

Tính chất hóa học

• Muối astatide (At⁻) có thể được tạo thành bằng kim loại kiềm, tương tự như iodide.

• Có thể tạo phức với bạc, vàng và một số ion kim loại nặng.

• Tham gia phản ứng oxi hóa khử, nhưng hoạt động kém hơn các halogen nhẹ hơn.

Lưu ý: Vì không thể cô lập số lượng đủ lớn để quan sát trực tiếp nên nhiều thông tin về Astatine đã được suy ra từ các mô phỏng lượng tử và nghiên cứu gián tiếp.

3. Độ hiếm và cách tạo Astatine

Sự khan hiếm

• Lượng Astatine xuất hiện tự nhiên trên Trái đất được ước tính không quá 30–50 nanogram – tương đương với một vài nguyên tử trong mỗi tấn đá.

• Nó hình thành từ chuỗi phân rã của uranium và thorium, nhưng tồn tại trong thời gian cực ngắn, sau đó phân rã thành các nguyên tố khác.

Sản xuất nhân tạo

• Đồng vị có ứng dụng cao nhất là Astatine-211 (At-211), được tạo ra bởi phản ứng: 2⁰⁹Bi (bismuth-209) + ⁴He (alpha) → 2¹¹At + 2n

• Quá trình này đòi hỏi máy gia tốc cyclotron năng lượng trung bình và thiết bị phân tích hạt nhân cao cấp.

Tuy nhiên, quá trình sản xuất cũng gặp nhiều khó khăn và tốn kém. Trên thế giới chỉ có khoảng 20 cơ sở có thể tổng hợp được At-211. Việc vận chuyển khó khăn do thời gian bán hủy ngắn (~7,2 giờ) và phải được sử dụng gần như ngay sau khi tạo.

4. Ứng dụng thực tế của Astatine

4.1. Liệu pháp điều trị ung thư hạt alpha

Astatin-211 là đồng vị phát ra tia alpha – một dạng bức xạ có năng lượng cao nhưng tầm tác dụng rất ngắn (~50–100 µm), lý tưởng cho: Tiêu diệt tế bào ung thư cục bộ hoặc giảm tổn thương các mô khỏe mạnh xung quanh. Gắn At-211 vào kháng thể đơn dòng để nhắm mục tiêu vào tế bào ung thư bằng các dấu ấn sinh học cụ thể. Điều trị ung thư não, bệnh bạch cầu, ung thư buồng trứng và các khối u di căn nhỏ.

Các thí nghiệm tại Đại học Gothenburg (Thụy Điển) cho thấy At-211 tiêu diệt tế bào ung thư não mà không gây tổn hại đến các tế bào thần kinh lân cận – mở ra những kỳ vọng lớn về điều trị ung thư khó can thiệp bằng phẫu thuật.

4.2. Nghiên cứu khoa học cơ bản

Dữ liệu astatin giúp các nhà vật lý hiểu thêm về tính bất ổn của hạt nhân nặng, góp phần phát hiện ra các nguyên tố siêu nặng (ngoài uranium).

Các thí nghiệm với Astatine hỗ trợ hiệu chỉnh mô hình hạt nhân trong mô phỏng lò phản ứng hạt nhân, phản ứng tổng hợp năng lượng và phân rã hạt nhân phi tuyến.

5. Tại sao Astatine cực kỳ hiếm?

Phân hủy nhanh chóng: Không thể lưu trữ hoặc khai thác.

Sản xuất cực kỳ tốn kém, phụ thuộc vào máy gia tốc và thời gian ngắn sau khi tổng hợp. Khối lượng nguyên tử lớn khiến nó dễ bị tương tác mạnh và mất ổn định hạt nhân. Ngay cả khi quá trình tổng hợp thành công, nghiên cứu vẫn bị hạn chế bởi rủi ro bức xạ và các quy định kiểm soát nghiêm ngặt.

6. Những thách thức và tiềm năng trong tương lai

Thử thách:

• Khó bảo quản và vận chuyển vì tuổi thọ ngắn.

• Thiếu các trung tâm có đủ công suất hạt nhân để sản xuất At-211.

• Chi phí sản xuất và bảo trì cơ sở hạ tầng rất lớn (hàng triệu USD/năm).

• Yêu cầu cao về quản lý an toàn bức xạ.

Tiềm năng:

• Liệu pháp alpha nhắm mục tiêu (TAT) có thể trở thành xu hướng mới trong điều trị ung thư kháng thuốc.

• Astatin-211 có thể thay thế các phương pháp hóa trị độc hại hiện nay nhờ tính chọn lọc cao và hiệu quả mạnh mẽ.

• Với sự kết hợp tốt giữa sản xuất At-211 tại chỗ và nền tảng sinh học mục tiêu, astatin có thể thay đổi hoàn toàn hướng đi của y học cá nhân hóa.

Nhiều viện nghiên cứu ở Châu Âu và Bắc Mỹ đang đặt cược vào astatine là một trong những ứng cử viên trụ cột cho liệu pháp điều trị ung thư thế hệ tiếp theo.

Astatine là ví dụ điển hình cho một nguyên tố tưởng chừng như “vô hình” nhưng lại chứa đựng sức mạnh đáng kinh ngạc trong khoa học hiện đại. Với đặc tính phóng xạ mạnh, hiếm đến mức không thể khai thác trong tự nhiên và tiềm năng ứng dụng lớn trong y học hạt nhân, astatine không chỉ là bí ẩn hóa học mà còn là chìa khóa mở ra kỷ nguyên điều trị ung thư hiệu quả, ít độc hại.

Bất chấp nhiều rào cản về công nghệ và chính sách, astatine xứng đáng được đầu tư nghiêm túc vào các chương trình nghiên cứu y học, vật lý hạt nhân và chiến lược quốc gia về y học hạt nhân trong tương lai gần.