Đùa giỡn cùng phân tử - Phần 1: Thách thức của phân tử  

Thiều Mai Lâm1, Trần Thị Mỹ Phương2

1  Viện Khoa học & Công nghệ Cao phân tử, Virginia Tech, Blacksurg, Virginia, 24060, Hoa Kỳ

Khoa Vật liệu phân tử cho thiết bị quang điện, Đại học Angers, Pháp

Email: thieu@vt.edutranthimyphuong2609@gmail.com

 

Ngày 5/10/2016, Ủy ban Nobel Thụy Điển công bố giải Nobel Hóa học năm 2016 thuộc về 3 nhà hóa học, Fraser Stoddart, Jean-Pierre Sauvage và Ben Feringa vì những đóng góp cho việc thiết kế và tổng hợp cỗ máy phân tử (molecular machine)(1) Với nhiều người không chuyên thì đây là lần đầu tiên họ được nghe về cỗ máy phân tử trong đời thực. Tuy nhiên, cỗ máy phân tử là gì, liệu nó có giống như trong những bộ phim khoa học viễn tưởng, chú robot siêu nhỏ lái tàu vô trong cơ thể con người để chiến đấu với một bệnh hiểm nghèo nào đó? Bài viết này sẽ cố gắng giúp cho độc giả có một cái nhìn toàn cảnh về cỗ máy phân tử và tại sao những người tổng hợp được nó lại được trao giải Nobel Hóa học 2016.

 

Hình 1: Chân dung 3 nhà Hóa học giành giải Nobel 2016

Theo định nghĩa của Wikipedia, máy móc là một công cụ bao gồm một phần hoặc nhiều phần, sử dụng năng lượng để phục vụ cho một hoạt động nào đó(2). Nguồn năng lượng ở đây có thể là bất cứ một nguồn nào bên ngoài như cơ năng, điện năng, ánh sáng … Ví dụ như các rìu đá thời cổ đại, sử dụng cơ năng (lực tay người) cho mục đích chặt cây, hay tivi, sử dụng điện năng để hiển thị các tín hiệu số. Đi liền với sự phát triển xã hội hiện đại, các cỗ máy được chế tạo càng ngày càng tinh xảo, với nhiều chi tiết phức tạp, phục vụ cho nhu cầu ngày càng cao của con người. Nhân loại đã rất thành công với việc chế ra những cỗ máy ở mức độ vĩ mô (macroscopic) như tàu ngầm, tên lửa, lò phản ứng hạt nhân… Tuy nhiên, ở mức độ vi mô (microscopic) chúng ta có thể thiết kế được những cỗ máy nhỏ đến thế nào?

“Chúng ta có thể thiết kế được những cỗ máy nhỏ đến thế nào?” Câu hỏi đó lần đầu tiên được Richard Feynman, nhà vật lý nổi tiếng đạt giải Nobel Vật lý năm 1965, đặt ra trong cuộc họp thường niên của hội Vật lý Mỹ (American Physical Society) năm 1959. Trong hội nghị đó, ông đã thu hút sự chú ý của giới khoa học bằng việc đặt ra giả thuyết về khả năng có thể thiết kế những cỗ máy vô cùng nhỏ, như một chiếc xe ô tô, từ các nguyên tử (3).

Trong một thời gian dài, với nhiều người trong giới khoa học, việc xây dựng những cỗ máy phân tử là một việc làm hoàn toàn mất trí! Có nhiều lý do nhưng có thể tóm gọn trong 2 nguyên nhân cơ bản như sau. Nguyên nhân thứ nhất, tương đối rõ ràng, đó là những cỗ máy như thế quá bé. Khi nói đến phân tử, chúng ta nói đến những vật chất nhỏ hơn sợi tóc từ 1000 đến 1.000.000 lần. Những cỗ máy bình thường, sở dĩ chúng ta có thể chế tạo được là vì chúng ta có thể dễ dàng tạo ra và thao tác với từng bộ phận nhỏ như bánh răng, dây chuyền, quả lắc. Nhưng với những phân tử, thậm chí mắt người còn không thể nhìn thấy được, chưa nói đến việc mang 2 phân tử lại buộc vào nhau để tạo thành những cỗ máy phức tạp như ô tô, thang máy! Đó là chưa kể các phân tử có nhiều loại khác nhau với cấu trúc khác nhau. Ví dụ như H2O là phân tử nước, C6H6 là benzene, hay H2SO4 là axit sunfuric. Các phân tử thường hoạt động theo ý muốn của chúng và không tuân theo ý chí của con người và chính điều đó đã tạo nên thế giới như ngày hôm nay. Do đó việc con người muốn nắn lại phân tử theo ý muốn của mình là một việc vô cùng táo bạo.

 

Hình 2 (từ trái qua phải): Cấu trúc phân tử nước (H2O), benzene (C6H6) và axit sunfuric (H2SO4)

Nguyên nhân thứ hai, thế giới vi mô đó hoàn toàn khác so với thế giới mà chúng ta đang sống. Đó là một thế giới bất định vô cùng khắc nghiệt, với nhiều quy luật ở thế giới bình thường không thể áp dụng được. Điều đó được Werner Heisenberg phát biểu với nguyên lý mang tên ông: “Ta không bao giờ có thể xác định chính xác cả vị trí lẫn vận tốc (hay động lượng, hoặc xung lượng) của một hạt vào cùng một lúc. Nếu ta biết một đại lượng càng chính xác thì ta biết đại lượng kia càng kém chính xác”(4). Ở cấp độ vi mô, cỗ máy phân tử cũng cần phải vượt qua được dao động nhiệt gây ra bởi chuyển động Brown (Brownian motion) (Chuyển động Brown được đặt tên theo nhà sinh học người Scotland, Robert Brown). Hiểu đơn giản là, ở môi trường lỏng (ví dụ như môi trường nước), trong 1 giây, 1 hạt vi mô sẽ có 1021 va chạm với các phân tử xung quanh(5). Nói một cách hình tượng, cỗ máy phân tử sẽ phải hoạt động trong môi trường là một trận bão cát khổng lồ liên tục không có điểm dừng. Làm thế nào để vượt qua được những thách thức đó là một việc không hề đơn giản với những nhà hóa học ở những thập niên giữa thế kỷ 20.

Hình 3: Mô phỏng chuyển động Brown của các hạt vi mô

Với những thách thức của phân tử như vây, làm thế nào để các nhà khoa học có thể vượt qua để tổng hợp được cỗ máy phân tử? Mời các bạn đón xem Đùa giỡn cùng phân tử phần 2: “Những người vượt rào” trên Vietnam Journal of Science để biết câu trả lời.

Tài liệu tham khảo:

1. Nobel Prize in Chemistry for nano-machines trio - CNN.com Available at: http://www.cnn.com/2016/10/05/world/nobel-prize-2016-chemistry-molecular-machines/index.html.

2.  Machine Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Machine [Accessed July 10, 2016].

3.  Feynman RP (1960) There’s Plenty of Room at the Bottom (Transcript of Talk Given on December 29, 1959, at the Annual Meeting of the American Physical Society). Caltech Eng Sci 23:5:22–36.

4.  Heisenberg W (1950) The physical principles of the quantum theory. (Dover Publications).

5.  Astumian RD (1997) Thermodynamics and Kinetics of a Brownian Motor. Science (80- ) 276(5314):917–922

 

Category: