Giải Nobel Hóa Học 2016: Những “dòng nhạc” phân tử bổng trầm

Các giáo sư Jean-Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart và Bernard L. Feringa

Tìm chuyển động trong phản ứng hóa học

Để có thể hình dung được độ nhỏ của động cơ phân tử, người ta có thể sắp khoảng 100.000 chiếc dọc theo bề dày của sợi tóc.

Sự thu nhỏ của linh kiện điện tử như transistor từ kích cỡ centimet đến nanomet (1 phần tỉ của mét) hơn 10 triệu lần trong vòng nửa thế kỷ qua đã và đang làm một cuộc cách mạng điện tử mà sản phẩm điển hình là máy tính và điện thoại thông minh. Sự thu nhỏ động cơ cũng có thể đưa đến một hiệu quả tương tự với nhiều tiềm năng ứng dụng trong tương lai.

Phân tử là phần nhỏ nhất của vật chất, như trong nước ta có phân tử nước, trong không khí ta có phân tử oxy và nitơ.

Động cơ, theo hiểu biết thông thường, là đầu máy của xe hơi, tàu thủy, máy bay, máy bơm, máy phát điện... Khi phân tử và động cơ được đóng khung trong hướng suy nghĩ này thì chúng ở hai thế giới riêng biệt.

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 máy nổ xe hơi biến hóa năng (nhiên liệu) thành bánh xe quay, hay máy phát điện biến hóa năng thành cơ năng (trục máy quay) rồi thành điện năng, thì phân tử cũng có thể xem là động cơ.

Nếu ta kích thích phân tử bằng năng lượng (như một nhiên liệu) để làm nó chuyển động, ta sẽ có một động cơ phân tử ở cấp nanomet, nhỏ hơn những cỗ máy đời thường hàng tỉ lần. Để thực hiện được điều này ta phải thiết kế và chế tạo phân tử biết chuyển động.

Các động cơ thông thường chuyển động được là nhờ các bộ phận như bánh xe, trục xoay, xylanh, piston, bánh răng, công tắc...

Ráp nối những bộ phận này cho ta một động cơ. Động cơ phân tử được xây dựng trên cùng một nguyên tắc, nhưng các bộ phận sẽ là các loại phân tử có chức năng giống như bánh xe, trục xoay, xylanh, piston, bánh răng. Ta phải tổng hợp các linh kiện phân tử này để tạo ra động cơ.

Để chế tạo một cỗ máy thông thường, người thợ phải ráp nối các bộ phận bằng ốc vít, nhưng đối với động cơ phân tử ta phải thiết kế và tổng hợp bằng các phản ứng hóa học. Việc này cần nhờ vào tài năng của các chuyên gia hóa học.

Như một nhà ảo thuật, với hơn 100 nguyên tố hóa học, gần 200 năm qua, các nhà hóa học đã “bốc ra” từ chiếc nón “kỳ diệu” của mình hàng trăm triệu hợp chất với những đặc tính khác nhau và vô số cấu trúc phân tử.

Với những phương pháp tổng hợp gần như đi từ trực cảm và kinh nghiệm, bằng những dụng cụ thí nghiệm đơn sơ như ống nghiệm, lọ thủy tinh, ống chưng cất, họ tạo ra những hợp chất ảnh hưởng đến mọi sinh hoạt của con người. Hóa tổng hợp “cổ điển” đã sản xuất phần lớn các hợp chất để chế tạo dược liệu, chất xúc tác, thuốc nổ, bột giặt, sơn, phân bón, thuốc sát trùng, tơ sợi đến các loại polymer khác nhau có nhiều ứng dụng công nghiệp.

Học lại từ Mẹ thiên nhiên

Mẹ thiên nhiên, nhà khoa học siêu phàm, đã tạo ra vô số động cơ phân tử sinh học trong con người và các loài động thực vật cho việc sinh tồn trong suốt quá trình tiến hóa từ thuở khai thiên lập địa.

Trong khi các nhà nghiên cứu sinh học khảo sát các diễn biến rất ngoạn mục qua việc chuyển động của động cơ sinh học trong việc duy trì sự sống, và trước khi có ý tưởng về “động cơ phân tử” thì các nhà hóa học đã bằng lòng với những ống nghiệm, dụng cụ thủy tinh, các thứ lắc lắc xoay xoay để tiến hành phản ứng, tinh chế sản phẩm, tạo ra các phân tử “bất động”.

Vậy làm sao có thể chế tạo bánh răng, trục quay, piston, van, công tắc phân tử để lắp ráp thành một động cơ phân tử biết chuyển động?

Các nhà hóa học phải tìm đến sinh học để tìm kiếm những mô hình thích hợp vì sự chuyển động là một đặc trưng trung tâm của sự sống.

Công nghệ nano và sự mô phỏng thiên nhiên ở mức phân tử tạo ra một cơ hội mới cho ngành hóa tổng hợp. Bắt nguồn từ những cảm hứng sinh học, các giáo sư Sauvage, Stoddart và Feringa mô phỏng các động cơ sinh học và qua cách thiết kế phân tử tài ba và bằng các phương pháp tổng hợp độc đáo đã tạo ra các phân tử biết di động.

Vào năm 1983, trong bước đầu ráp nối các phân tử, giáo sư Sauvage đã tổng hợp thành công hai phân tử vòng như hai cái khoen móc vào nhau có tên gọi là catenane (từ chữ catena, sợi xích). Hai phân tử vòng này có thể xoay khi có năng lượng tác động lên chúng, năng lượng này có thể là nhiệt hay là ánh sáng. Đây có thể xem là một động cơ phân tử đơn giản nhất.

Năm 1991, giáo sư Stoddart tiến thêm một bước qua việc tổng hợp một phân tử thẳng làm trục và một phân tử vòng trượt qua lại trên cái trục.

Cẩn thận hơn, bằng một quá trình tổng hợp hóa học, ông còn gắn vào hai đầu của cái trục một hợp chất để ngăn chặn chiếc vòng phân tử khi di động không bị tuột ra ngoài. Tập hợp phân tử chứa trục và vòng được gọi là rotaxane (hình 1).

Thuật ngữ này được phối hợp từ hai chữ Latin rota (bánh xe) và axle (trục). Rotaxane của Stoddart có đặc tính chuyển động con thoi. Chuyển động con thoi nhanh nhất của một rotaxane dùng ánh sáng là nguồn năng lượng được ghi nhận trên một đoạn dài 1,5 nanomet là 10.000 lần/giây.

Còn giáo sư Feringa là người đầu tiên chế tạo ra môtô phân tử. Năm 1999, ông đã tổng hợp thành công một hợp chất có hai mảnh được nối với một trục (hình 2). Hai mảnh có chức năng như cánh quạt môtô.

Một mảnh sẽ được giữ cố định và mảnh kia quay xung quanh trục khi được kích thích bởi ánh sáng và nhiệt. Cấu trúc này là môtô phân tử nhân tạo đầu tiên “đời thứ nhất” theo đúng định nghĩa của “động cơ”, mặc dù một vòng quay cần hơn 400 giờ để thực hiện. Feringa và cộng sự tiếp tục tổng hợp một số hợp chất khác bằng cách thay đổi cấu trúc phân tử để chế tạo động cơ đời hai, đời ba... Các động cơ được cải tạo có vận tốc quay tăng lên 100 triệu lần với số vòng quay 44 vòng/giây. Từ động cơ “đời thứ nhất” (năm 1999), chỉ trong vòng năm năm, nhóm nghiên cứu của Feringa đã cho ra những thành quả rất tốt đẹp nhờ vào khả năng tổng hợp nhiều cấu trúc phân tử đa dạng.

Năm 2011, Feringa làm nên một thành tích tuyệt vời khác, từ môtô phân tử, Feringa và cộng sự chế ra xe hơi nano (hình 3). Thật ra, nhóm Feringa tổng hợp một phân tử giống như chiếc xe hơi mà bốn bánh xe là cái quạt môtô. Khi chiếc xe nano được cung cấp năng lượng thì bốn “bánh xe chân vịt” sẽ quay làm di động chiếc xe trên một mặt phẳng.

Những kỳ vọng lớn lao

Người ta kỳ vọng sẽ có nhiều ứng dụng đột phá của động cơ phân tử. Stoddart đề nghị dùng con thoi phân tử rotaxane như transistor, một linh kiện điện tử, cho con chip vi tính.

Máy tính sử dụng transistor mang chức năng của động cơ phân tử sẽ có một bộ nhớ vĩ đại và năng suất xử lý 100 tỉ lần cao hơn máy tính hiện tại. Nếu suy luận qua độ lớn, ta sẽ có một máy tính chỉ to bằng hạt cát nhưng có năng suất 100 lần nhiều hơn máy tính ngày nay.

Ngoài ra, nhóm Stoddart tổng hợp phân tử “biến tấu” của rotaxane làm ra van đóng/mở nano. Van nano này cho một tiềm năng ứng dụng rất hữu ích là cảm được tế bào ung thư và tải thuốc diệt các tế bào này cho hóa trị liệu.

Hiện tại, phòng nghiên cứu của Stoddart và Feringa có thể tổng hợp hàng trăm triệu động cơ phân tử trên một bề mặt. Khi được kích động bằng phương pháp điện hóa, nhiệt hay tia tử ngoại, các động cơ tí hon đồng loạt tạo ra một tác động cơ học có thể nâng cao hoặc xoay một vật mà ta có thể quan sát.

Phân tử sinh học trở thành nguồn cảm hứng bất tận cho các khoa học gia trong việc mô phỏng để chế tạo các công cụ và thiết bị nano mà động cơ phân tử là một. Các động cơ phân tử sinh học làm việc ngày đêm trong ta và các động thực vật quanh ta theo một quy luật, có trật tự, có phối hợp cho nhiều mục đích khác nhau để duy trì sự sống trong lịch sử tiến hóa gần 4 tỉ năm.

Động cơ phân tử của con người chưa đạt đến trình độ siêu việt như thiên nhiên và các ứng dụng cho đời thường chỉ manh nha ở giai đoạn mở đầu.

Nhưng chỉ trong vòng ba thập niên kể từ phân tử hai vòng catenane của giáo sư Sauvage, việc tổng hợp các động cơ phân tử biết ứng đáp, biết lựa chọn, biết nhận thức giống như phân tử sinh học đã có bước đi vạn dặm.

Hàng trăm triệu động cơ phân tử cài trên một bề mặt có thể vận động như một dàn nhạc giao hưởng để tạo ra những “dòng nhạc” phân tử khi bổng lúc trầm theo một giai điệu dưới sự chỉ huy của con người. Đó là điểm bứt phá mà công trình của bộ ba Sauvage, Stoddart và Feringa đã nâng hóa học lên một tầm cao mới. Đó cũng là cái lãng mạn và mỹ học trong nghiên cứu khoa học.■