Giải Nobel Hóa học 2011

Từ Thư viện Khoa học VLOS
Bước tới: chuyển hướng, tìm kiếm

Chiều nay, tính theo giờ Việt Nam, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã công bố Giải Nobel Hóa học năm 2011. Thành tựu hóa học được trao giải năm nay là sự khám phá ra bán tinh thể (giả tinh thể, quasiscrystal) và người đoạt giải là Dan Shechtman, Viện Công nghệ Technion - Israel, Haifa, Israel.

Giải Nobel Hóa học 2011 được trao cho Daniel Shechtman thuộc Viện Công nghệ Technion – Israel cho khám phá của ông về bán tinh thể - những chất liệu có trật tự nhưng không có cấu trúc tuần hoàn. Khám phá của Shechtman, thực hiện vào năm 1984 trong khi đang nghiên cứu một mẩu nhôm manganese, đã mang đến sự hứng thú, tình trạng lộn xộn lẫn sự phản đối mạnh mẽ. Tạp chí Journal of Applied Physics, chẳng hạn, đã từ chối đăng bài báo gốc của Shechtman mô tả chi tiết khám phá trên vì lí do nó sẽ không thu hút sự quan tâm của các nhà vật lí đọc tạp chí này. Linus Pauling – một tên tuổi lớn trong ngành tinh thể học thế kỉ 20 – còn bác bỏ những kết quả đó.

Trước khám phá của Shechtman, đa số các nhà nghiên cứu nghĩ rằng trật tự xa ở những hệ vật chất là không thể nếu không có sự tuần hoàn. Người ta tin rằng các nguyên tử đóng khít bên trong các tinh thể trong những kiểu hình đối xứng lặp lại tuần hoàn mãi mãi – và sự lặp lại này là cần thiết để có được một tinh thể. Tuy nhiên, Shechtman tìm thấy các nguyên tử trong tinh thể của ông đóng khít theo một kiểu hình không thể nào lặp lại nhưng có đối xứng quay “bậc 10”.

Một hệ được nói là có sự đối xứng quay bậc-n nếu nó trông giống nhau sau khi nó quay đi 360/n độ, nghĩa là mẩu tinh thể của Shechtman không thay đổi sau khi quay đi 36 độ. Trước khám phá của ông, một hệ tuần hoàn được cho là chỉ có đối xứng quay bậc 1, 2, 3, 4 hoặc 6, với mọi đối xứng khác bị cấm bởi các định luật tinh thể học.

Tuy nhiên, kể từ đột phá của Shechtman, hàng trăm bán tinh thể khác nhau đã được tìm thấy, trong đó có những bán tinh thể 12 cạnh có đối xứng quay bậc 2, bậc 3 và bậc 5. Còn có những bán tinh thể tám cạnh (bậc 8), 10 cạnh (bậc 10) và 12 cạnh (bậc 12) biểu hiện đối xứng quay “bị cấm” bên trong những lớp nguyên tử 2D nhưng tuần hoàn theo hướng vuông góc với những lớp này.

Trong thông cáo trao giải, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển phát biểu rằng Shechtman “phải đấu tranh trong một trận chiến ác liệt chống lại nền khoa học đã xác lập” để kết quả của ông được chấp nhận vì “cấu hình tìm thấy ở các bán tinh thể được xem là không thể”. Họ cho biết thêm giải thưởng Nobel của năm nay “về cơ bản đã làm thay đổi nhận thức của các nhà hóa học về một chất rắn”.

Trật tự từ lộn xộn

Minh họa một bán tinh thể

Shechtman công bố khám phá gây tranh cãi của ông trong khi đang nghỉ phép ở Mĩ tại Cục Tiêu chuẩn Quốc gia ở thủ đô Washington, nơi ông đang nghiên cứu tính chất của những hỗn hợp kim loại tan chảy chung với nhau và nhanh chóng nguội đi. Những người phản đối ông, trong đó có Pauling, chẳng hạn, đề xuất rằng hình ảnh nhiễu xạ quan sát thấy là do năm tinh thể quay 72 độ so với nhau, chứ không phải do chỉ một tinh thể có đối xứng bậc 10.

Nhưng những nghi ngờ buổi đầu này nhanh chóng bị quét sạch bởi bằng chứng thực nghiệm mới, và bài báo của Shechtman – cuối cùng đã công bố trên tạp chí Physical Review Letters số ra tháng 11/1984 – kể từ đó đã trở thành một trong những bài báo nghiên cứu được trích dẫn nhiều trong văn chương khoa học.

Thật vậy, các bán tinh thể đã dẫn tới những khám phá quan trọng trong những lĩnh vực đa dạng như khoa học nano và hóa học siêu phân tử. Các “siêu chất liệu” quang lượng tử xây dựng trên các bán tinh thể có thể một ngày nào đó còn thay thế cho những dụng cụ bán dẫn để tạo ra những mạch toàn-quang dùng cho viễn thông và công nghệ thông tin, trong khi các ma trận spin điện tử bán tuần hoàn có thể làm sáng tỏ những phương diện mới của từ học cho các ứng dụng điện tử học spin.

“Quyết định đúng đắn”

Trước khám phá của Shechtman, các nhà toán học đã nhận thức rằng một số hàm có tính chất “hầu như tuần hoàn” và cơ sở toán học của “sự mất tuần hoàn” này được chỉ ra vào năm 1933 bởi Harald Bohr (anh em của Niels Bohr). Thật vậy, các hàm bán tuần hoàn là một tập con của những hàm gần như tuần hoàn, với kiểu bán tuần hoàn nổi tiếng nhất là ngói Penrose, do Roger Penrose ở trường Đại học Oxford khám phá ra vào năm 1974. Ngói Penrose là không tuần hoàn, vì trượt một bản sao chính xác của nó sẽ không bao giờ tạo ra một sự ăn khớp chính xác.

Nhà vật lí Rónán McGrath thuộc trường Đại học Liverpool ở Anh, người đã nghiên cứu các bán tinh thể trong 12 năm qua, cho biết giải thưởng của Shechtman là “rất xứng đáng” và quyết định trao giải là chính xác, mặc dù cái tên “bán tinh thể” thật ra do các nhà lí thuyết Paul Steinhardt và Dov Levine tại trường Đại học Pennsylvania ở Mĩ đặt ra. “Shechtman khăng khăng tin vào cái ông đã có là chân thật”, McGrath nói. “Ông cố gắng thuyết phục cộng đồng rằng ông đã đúng. Thật hợp lí giải thưởng chi trao cho một mình Shechtman”.

Renee Diehl tại trường Đại học Pennsylvania ở Mĩ đồng ý rằng giải thưởng trên là xứng đáng. “Shechtman đã rất sắc sảo nhận ra ông đã khám phá ra một dạng mới của vật chất kết tinh”, ông nói. “Khám phá này đã làm thay đổi hoàn toàn cách chúng ta nghĩ về vật chất kết tinh và thậm chí đòi hỏi một định nghĩa mới cho khái niệm ‘tinh thể’.”

Sinh năm 1941 ở Tel Aviv, Shechtman tốt nghiệp Viện Technion vào năm 1966 với bằng cơ kĩ thuật và sau đó hoàn thành luận án tiến sĩ về kĩ thuật vật liệu tại Viện vào năm 1972. Sau khi nghiên cứu hậu tiến sĩ ở Mĩ tại Phòng nghiên cứu Hàng không Vũ trụ, Ohio, ông trở lại Technion vào năm 1975, và làm việc tại đó cho đến bây giờ. Ông còn được trao Giải thưởng Wilf Vật lý vào năm 1999.

Nguồn