Mô phỏng sinh học: Từ phân tử đến động cơ

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

Những thuật ngữ với tiền tố "nano" và cụm từ "khoa học nano, công nghệ nano" xuất hiện từ những năm 90 của thế kỷ trước trong cộng đồng khoa học dần dần trở thành những từ ngữ thông dụng hàng ngày.

Nano trong cụm từ "công nghệ nano" có nghĩa là noanomét (nanometer, kí hiệu nm) bằng một phần tỷ mét. Cơ cấu nhỏ nhât của vật chất là nguyên tử có kích thước: 0,1 nm, phân tử là tập hợp các nguyên tử: 1-10 nm, vi khuẩn; 50 nm, hồng huyết cầu: 10.000 nm, tinh trùng: 25.000 nm, đường kính sợi tóc: 100.000 nm, đầu cây kim: 1 triệu nm, và chiều cao con người: 2 tỷ nm.

Động cơ đã thu hút sự tưởng tượng của loài người hàng bao thế kỷ. Những động cơ lớn nhỏ, đơn giản lẫn phức tạp dùng trong xe hơi, máy bay, tàu bè, tên lửa, máy cắt cỏ, máy bơm, máy phát điện, đồng hồ, máy xấy tóc v.v... xuất hiện như một hệ quả đương nhiên. Mặt khác, thiên nhiên - một chuyên gia công nghệ nano thông minh nhất và lâu đời nhất - đã và đang dùng các "động cơ" ở cấp phân tử trong mọi quá trình sinh học để duy trì sự sống của muôn loài. Những động cơ sinh học nano của thiên nhiên là nguồn khơi động niềm cảm hứng của các nhà khoa học cho việc chế tạo những động cơ ở kích cỡ nano với chức năng tương tự như các loại động cơ vĩ mô. Bắt chước thiên nhiên-mô phỏng thiên nhiên, các nhà hóa học tổng hợp rất nhiều siêu phân tử được sử dụng như "linh kiện cơ khí" và đã rất thành công trong việc lắp ráp các linh kiện này thành động cơ nano theo phương pháp "từ dưới lên" (bottom-up). Tiềm năng ứng dụng của động cơ nano nằm trong lĩnh vực vật liệu "thông minh", bộ cảm ứng nano và phân tử điện tử học.

Một giấc mơ hoang tưởng?

Phân tử, như chúng ta được học từ thời trung học, là phần nhỏ nhất của vật chất. Trong nước ta có phân tử nước, trong không khí ta có phân tử oxygen và nitrogen. Động cơ, theo kinh nghiệm hằng ngày, như ta biết đó là đầu máy xe hơi, tàu thủy, máy bay, máy bơm, máy phát điện v.v… Khi phân tử và động cơ được đóng khung trong hướng suy nghĩ này thì chúng ở hai thế giới riêng biệt. Ngoài sự lớn nhỏ cực kỳ khác nhau, nhìn một cách phiến diện cả hai dường như không có một giao điểm nào. Tuy nhiên, khi ta định nghĩa động cơ là một công cụ có khả năng chuyển hoán năng lượng để biến thành một chuyển động, như đầu máy hơi nước biến nhiệt thành cơ năng, máy nổ biến hóa năng (nhiên liệu) thành cơ năng, hay máy phát điện biến hóa năng thành cơ năng (trục máy quay) rồi thành điện năng, thì phân tử cũng có thể là động cơ, nếu ta kích thích phân tử bằng năng lượng để làm nó chuyển động. Ta sẽ có một động cơ phân tử ở cấp nanomét nhỏ hơn những cỗ máy đời thường hàng tỷ lần. Thực hiện được điều này hoàn toàn nằm trong khả năng của con người và đương nhiên không phải là một giấc mơ hoang tưởng. Nhưng chúng ta phải dựa theo mô hình nào, phương pháp nào để có thể chế tạo ra động cơ ở mức nhỏ nhất của vật chất có khả năng hoàn thành một công việc do con người định đoạt như các bộ máy vĩ mô hàng trăm năm nay đã giúp ta di động trên mặt đất, mặt nước, trên không, hay thay ta di chuyển hàng hóa, khuân vác vật nặng. Trước khi có câu trả lời ta hãy nhìn lại "lịch sử" của động cơ phân tử.

Động cơ phân tử hay động cơ nano là một đề tài rất cũ, cũ như trái đất, nhưng cũng là một đề tài rất mới, rất hiện đại và thời thượng trong khoa học. Rất cũ là vì những động cơ phân tử đã hiện hữu trong các đơn bào, đa bào duy trì sự sống hơn 4 tỷ năm trên trái đất. Tiếp theo đó, sự tiến hoá kéo dài vài trăm triệu năm của các loài sinh vật kể cả loài người đã hoàn chỉnh các động cơ phân tử sinh học đến mức độ ưu việt nếu không muốn nói là lý tưởng. Rất mới là vì sự phát triển của nhiều nền công nghiệp, nhất là công nghiệp điện tử, từ lâu đã đòi hỏi một định hướng chiến lược là vừa thu nhỏ vừa gia tăng hiệu suất và chất lượng. Nhưng con người có thể thu nhỏ đến mức độ nào? Độ nhỏ tận cùng của vật chất là phân tử và đây cũng là mức nhắm cuối cùng của việc thu nhỏ. Điều này đã được nhà vật lý thiên tài Richard Feynman (1918-1988, đoạt giải Nobel Vật Lý năm 1965) đã dự đoán tài tình trong bài nói chuyện với nhan đề "There's plenty of room at the bottom" (Có rất nhiều phòng ở miệt dưới) tại Viện Công Nghệ California năm 1959.

Nền công nghệ nano xuất hiện trong bối cảnh chiến lược này và đã đề xuất một phương pháp luận mới cho việc thu nhỏ các linh kiện điện tử và cơ khí dựa trên các mô hình sinh học. Cũng không cần tìm đâu cho xa, cấu tạo sinh học của muôn loài, trong ta và xung quanh ta, là một mô hình lý tưởng mà tạo hóa đã dày công điêu khắc, và cũng là nguồn cảm hứng sinh học (bio-inspiration) của các nhà khoa học cho việc sáng tạo ra động cơ phân tử nano.

Bài viết này trình bày những thành quả nghiên cứu và tiềm năng ứng dụng của động cơ phân tử nhân tạo xuất phát từ những hợp chất hóa học dựa trên các mô hình sinh học.

Ngọn hải đăng lý thuyết?

Cũng như các ngành khoa học thực dụng khác, sự phát triển của động cơ phân tử cần một lý luận dẫn đường. Hóa học cho con người một phương tiện tạo ra vật liệu. Sinh học là một nguồn cảm hứng ngọt ngào, cho ta những "thần tượng" để ngưỡng mộ và bắt chước. Vật lý cung cấp những lý thuyết chỉ đạo. Nhưng lý thuyết nào? Nhiệt động học, cơ học thống kê (statistical mechanics) hay cơ học lượng tử? Vì chưa có một lý thuyết chỉ đạo, ta chưa định lượng được năng suất của động cơ phân tử. Ta cũng còn mờ mịt chưa biết phân tử sinh học đã lợi dụng năng lượng của những "trận bão" Brown theo một cơ chế nào. Khi những điều hiểu biết cơ bản này chưa được đáp ứng thỏa mãn thì cái thử thách để thiết kế một động cơ phân tử với năng suất tối ưu, hay việc thiết lập ra nền công nghệ phân tử điện tử học dùng phân tử như là một linh kiện trong các siêu vi mạch hay máy vi tính phân tử, quả là to lớn và đáng sợ.

Thật ra, cũng đã có đề nghị triển khai nhiệt động học thành bộ môn nghiên cứu thế giới vi mô trong việc tính toán năng suất và khảo sát cơ chế của động cơ phân tử. Nhưng đối tượng truyền thống của bộ môn này là những tập đoàn chứa hàng tỷ tỷ hạt vật chất (nguyên tử, phân tử). Những diễn biến và năng suất của một động cơ nổ đã được định lượng rất thành công qua các định luật nhiệt động học từ thời phát minh máy hơi nước. Thêm vào đó, cơ học thống kê mang đến cho nhiệt động học một lôgic toán học. Nhưng dù có trang bị bằng cơ học thống kê, làm sao ta có thể dùng kết quả nhiệt động học của một động cơ, chẳng hạn như bộ máy của chiếc Toyota Camry với dung lượng 2,4 lít chứa khoảng 1022 (10.000 tỷ tỷ) phân tử nhiên liệu trong các ống xy-lanh, để khảo sát "nhất cử, nhất động" của một động cơ phân tử như kinesin hay rotaxane? Có thể nói đây là một đề nghị với một dự phóng mang tính quy nạp táo bạo. Nhưng sự tưởng tượng có thể đưa con người đi khắp tất cả mọi nơi. Biết đâu, một ngày nào đó bộ môn "tân nhiệt động học" ra đời, trở thành lý thuyết bao trùm tất cả mọi vật (theory of everything) kéo dài từ hệ thống vĩ mô đến hệ thống vi mô, từ hằng hà sa số phân tử đến tận cùng của một phân tử.

Sự trùng hợp ngẫu nhiên giữa cấu trúc, cơ chế vận chuyển và chức năng của những cỗ máy nhân tạo và những động cơ sinh học của Mẹ thiên nhiên nhiều lúc khiến ta phải ngạc nhiên đến sững sờ. Đâu đó giữa hai thế giới khác biệt này xuất hiện các động cơ nano của các hợp chất hóa học như một nhịp cầu giao lưu, và dù thiếu vắng một lý thuyết chỉ đạo con người vẫn mày mò mô phỏng những ưu điểm của thiên nhiên và đồng thời phát huy kinh nghiệm cơ khí đã có từ hàng trăm năm qua. Tuy việc nghiên cứu và triển khai của động cơ phân tử vẫn còn trong thời kỳ phôi thai, phải công nhận rằng chỉ trong vòng vài thập niên, nghiên cứu trong lĩnh vực này đã đi một bước dài và đem đến những thành quả đáng tự hào cho trí tuệ loài người.

Tham khảo

"Khoa học và công nghệ nano", nxb Tri Thức (2009), tác giả: Trương Văn Tân, Viện Khoa học và Công Nghệ Quốc Phòng Australia