Mô phỏng sinh học:
Biến phân tử thành động cơ^*

Trương Văn Tân

"Lôgic đưa ta đi từ A đến B.
Sự tưởng tượng đưa ta đến khắp cả mọi nơi."

Albert Einstein

Tóm tắt:

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 cuả 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, 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". 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. Bài viết này giới thiệu các tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực động cơ nano nhân tạo, những nỗ lực trong việc "thuần hóa" và điều khiển sự chuyển động ở thang phân tử, những thách thức tồn tại trong việc chế tạo cũng như sự am hiểu về cơ cấu vận hành của động cơ phân tử dựa trên quan điểm nhiệt động học.

1. Một giấc mơ hoang tưởng?

Phân tử, như thầy cô đã từng dạy chúng ta 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 quả địa cầu. 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.

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.

2. Động cơ thu nhỏ

Nhớ khi còn bé đọc quyển đồng thoại "Guy-li-ve phiêu lưu ký" đến đoạn Guy-li-ve bị đắm thuyền lạc vào tiểu quốc của những người tí hon, người viết mường tượng đến một chốn thần tiên nào đó nơi người tí hon sống như loài kiến với đường sá, nhà ở, vật dụng đều được thu nhỏ. Trí óc trẻ thơ thường nghĩ với một lôgic tự nhiên; người nhỏ thì làm ra những vật nhỏ, ở trong một căn nhà nhỏ với đồ đạc nhỏ. Nó còn nhỏ hơn đôi đũa được làm từ cái que hay từng cái chén làm từ hạt dẻ bổ ra, những khúc "bánh mì" làm từ lục bình dưới sông, để bên cạnh bộ tủ chén trong một căn bếp nhỏ làm bằng giấy xếp lại rất dễ thương của bọn con gái hàng xóm chơi trò nhà chòi mà người viết chỉ được phép loanh quanh ngắm nhìn nhưng không được tham gia! Lớn hơn một chút, người viết mải mê nhìn bác sửa đồng hồ trước nhà với sự cảm phục khi bác nheo lại một con mắt, con mắt kia thì "ngoạm" lấy một kính lúp nhìn vào động cơ đồng hồ, tay dùng cây vít, cây nhíp nhỏ lấy ra từng bộ phận tí hon nào là lò xo, bánh cóc (ratchet), bánh răng (gear), trục quay, con ốc, bỏ vào cái đĩa nhỏ lắc lắc rửa tất cả bằng xăng. Hỏi tại sao đồng hồ chạy, bác vừa trả lời vừa dùng cây nhíp giơ cao cái lò xo thật mỏng và nhỏ, từ tốn giải thích; khi lên giây cái lò xo co lại, rồi nó từ từ dãn ra làm quay cái trục, rồi cái bánh xe rồi cây kim đồng hồ v.v... Tuy không hiểu hết, nhưng cái đặc điểm bé tí của chiếc đồng hồ đã kích thích sự tò mò của người viết trong một quãng thời gian dài của tuổi thơ.

Tiến hóa của nền văn minh cận đại nhân loại gắn liền với sự phát triển của động cơ (motor) và máy móc (machine). Sự phát minh động cơ hơi nước của Watt đã mở màn cuộc cách mạng công nghiệp cuối thế kỷ 18, tạo một bước ngoặt lớn trong lịch sử nhân loại và đã làm thay đổi toàn diện đời sống kinh tế và xã hội của con người. Ngày nay, song song với việc chế tạo những cổ máy nhẹ hơn với hiệu năng to hơn như ta thấy ở động cơ xe hơi, đầu máy xe lửa siêu tốc, động cơ máy bay phản lực hay phức tạp hơn nữa động cơ của phi thuyền vũ trụ, các nhà khoa học cũng nghiên cứu sự thu nhỏ của động cơ và những dụng cụ (devices) theo phương pháp "từ trên xuống" (một vật to được gia công làm nhỏ hơn, rồi cứ tiếp tục làm nhỏ hơn nữa) [1]. Transistor là một thí dụ. Từ khi phát minh ra transistor (1947), bằng phương pháp "từ trên xuống" con người đã thu nhỏ hàng chục triệu lần từ cm đến nanomét. Hiện nay, 2000 transistor có thể được xếp trong một khoảng không gian dày bằng sợi tóc. Kinh nghiệm thường ngày cho thấy sự thu nhỏ của transistor càng làm cho những dụng cụ điện tử, điện thoại di động, máy vi tính càng mỏng, nhỏ gọn, hiệu năng càng gia tăng. Tuy nhiên, sự thu nhỏ transistor theo phương pháp "từ trên xuống" sẽ dừng đến một giới hạn không thể vượt qua, một phần vì cơ tính và lý tính của vật liệu không cho phép và một phần vì phương pháp chế tạo không thể điều khiển chính xác ở mức độ thấp hơn micromét (phần ngàn milimét).

Việc thu nhỏ bộ phận cơ khí đã hiện hữu trước các dụng cụ điện tử nhiều thế kỷ nhưng ít được quan tâm. Ngay từ thế kỷ 13, những người thợ làm đồng hồ đã thực hành phương pháp thu nhỏ "từ trên xuống" từ chiếc đồng hồ quả lắc đến chiếc đồng hồ đeo tay với những linh kiện được chế tạo ở độ lớn từ cm đến mm. Trong hai thập niên vừa qua, những nghiên cứu thu nhỏ các bộ phận cơ khí vẫn được âm thầm thực hiện trong những viện nghiên cứu và đại học trên toàn thế giới. Thành quả của những nghiên cứu này đã đưa đến việc chế tạo một dụng cụ cực nhỏ với những linh kiện cấp micromét gọi là MEMS, chữ tắt của "Micro electro-mechanical systems", tạm dịch là "hệ thống điện cơ vi mô" (Hình 1).

Những vật dụng của người tí hon trong "Guy-li-ve phiêu lưu ký" hay hình ảnh của Tôn Ngộ Không thu nhỏ đi vào mũi miệng của kẻ ác để thăm dò, nghe ngóng không còn là chuyện thần thoại để trẻ thơ thả hồn vào một thế giới thần tiên. Ngày nay, đó là những hiện thực. MEMS có những ứng dụng quan trọng trong công nghiệp cũng như trong y học và trở thành những sản phẩm được bán ra trên thương trường với tổng ngạch vài tỷ đô-la hằng năm. Vật liệu vô cơ (silicon), hữu cơ (polymer) hay kim loại (vàng, bạc, nhôm) là những nguyên liệu chính dùng để chế tạo các bộ phận MEMS ở kích cỡ micromét bằng phương pháp khắc mòn laser (laser ablation), khắc mòn hóa (chemical etching) hay litô quang (photolithography). Người viết cũng đã có kinh nghiệm khắc mòn laser phim polymer dẫn điện làm các ngón tay micromét có những chi tiết ở độ lớn 10 - 20 µm. MEMS cảm ứng với nguồn kích thích bên ngoài (quang, nhiệt, cơ hay điện) cho tác dụng dẫn động như một động cơ. Đây là động cơ micromét.

Một trong những ứng dụng y học là MEMS được gắn vào đèn nội soi để quan sát các cơ quan trong cơ thể, hay các bộ cảm ứng y học giá rẻ dùng một lần để giúp y sĩ chẩn bệnh chính xác và trị bệnh hiệu quả. Đặc biệt hệ thống "lab-on-a-chip" gồm các bộ phận MEMS, mạng vi lưu (microfluid network) với kích thước từ vài mm đến cm có khả năng phân tích các thí nghiệm sinh học tương đương với chức năng của nhiều phòng thí nghiệm hợp lại. Trong công nghiệp xe hơi, bộ dẫn động (actuator) MEMS kích hoạt làm bao không khí (airbag) bung ra để ngăn chặn người lái xe không bị đập vào tay lái khi gặp tai nạn. Đầu phun mực của máy in văn phòng (printer) được trang bị MEMS để điều chỉnh lượng mực ở mức chính xác nano lít (10^-9 lít). Trong vật lý, MEMS được gắn vào đầu dò kính hiển vi để quan sát nguyên tử hay đặt vào thiết bị vi mô làm nguội nhiệt phát ra từ các vi mạch. Tiếc thay, cùng chung với số phận với transistor, sự thu nhỏ các bộ phận cơ khí "từ trên xuống" cũng gặp một bất lực tương tự. Hiện tại ta có MEMS nhưng có phương pháp nào thu nhỏ hơn, vài ngàn lần nhỏ hơn nữa, cho con người một khả năng chế tạo hệ thống điện cơ nano (nano electro-mechanical system, NEMS) hay động cơ nano thay thế MEMS hiện có? Vâng, phương pháp "từ dưới lên" của nền công nghệ nano cho ta một câu trả lời khẳng định.

Trong bài nói chuyện nổi tiếng "Có rất nhiều chỗ trống ở miệt dưới" năm 1959 [2], Feynman cũng bị thu hút bởi những động cơ cực nhỏ. Ông nói rằng, thật là một điều thích thú nếu ta có thể chế tạo được những máy móc cực nhỏ với những thành phần cấu tạo có thể di động và điều khiển theo ý muốn. Gần một phần tư thế kỷ sau, vào năm 1983 Feynman vẫn mơ ước chế tạo những chiếc máy tí hon mặc dù ông vẫn hoài nghi sự hữu dụng của những dụng cụ cực nhỏ này. Tiếc rằng, khi Feynman qua đời thì những ứng dụng thực tiễn của MEMS mới bắt đầu xuất hiện.

Trong suy nghĩ của mình, Feynman đã phác thảo một ý tưởng làm một công cụ lớn, rồi từ công cụ này làm công cụ nhỏ hơn, nhỏ hơn nữa. Cứ như thế tiếp tục, vừa phục chế (replication) vừa thu nhỏ ta sẽ có một công cụ hay động cơ cực nhỏ. Hai mươi năm sau, Drexler [3] đề xuất một ý tưởng tương tự; ông mường tượng ra một "địa đàng" trong đó có những con robot nano làm công việc chồng chập các nguyên tử theo kiểu lắp ráp các mảnh Lego, tạo ra mọi vật biết sinh sôi nảy nở tự phục chế ra chính bản thân mình. Ý tưởng của Feynman cũng như của Drexler rất hấp dẫn, nhưng khó thực hiện và gần như là không tưởng. Trước hết, ta không có một máy móc nào để tạo được con robot nano. Dù có thể tạo ra robot nano hay công cụ cực nhỏ của Feynman, những "ngón tay" của robot phải làm từ các nguyên tử, và như vậy những ngón tay quá to phì để nắm bắt và di chuyển các nguyên tử, phân tử có độ lớn tương đương. Ngoài ra, ở cấp vi mô (micromét, nanomét) lực van der Waals, lực tĩnh điện, lực mao quản sẽ khống chế mọi thao tác, làm cho các "ngón tay" như bị dính keo và chuyển động nhiệt Brown [4] làm robot dao động liên tục. Một trở ngại khác là làm sao tạo ra một mặt "giao lưu" (interface) để con người truyền mệnh lệnh điều khiển con robot nano. Phải nói rằng ý tưởng của Feynman hay Drexler chỉ thuần túy dựa trên tư duy của một nhà vật lý học hay kỹ sư điện cơ. Đây là một cơ chế "khô" (gọt, dũa, đục, đẽo, mài, khắc...) tạo dụng cụ, máy móc từ vật liệu rắn. Một cơ chế còn phảng phất ảnh hưởng của phương pháp "từ trên xuống" của công nghiệp bán dẫn transistor.

Tuy nhiên, việc nắm bắt, di chuyển và chồng chập nguyên tử không phải là việc bất khả thi. Đầu dò của kính hiển vi quét đường hầm (scanning tunnelling microscope) có thể di chuyển, mặc dù rất chậm, nguyên tử ở điều kiện thí nghiệm trong chân không và gần nhiệt độ tuyệt đối để tránh sự dao động nhiệt và sự va chạm với phân tử oxygen và nitrogen trong không khí. Nhưng đây không phải là một phương tiện hiệu quả để chồng chập nguyên tử tạo ra phân tử và hợp chất. Ngoài ra, không phải nguyên tử nào cũng có thể nối kết, chồng chập vào nhau. Trên lĩnh vực này, ta phải dựa vào trí tuệ của các nhà hóa học.

Nhà vật lý hạch nhân nổi tiếng ở đầu thế kỷ 20, Ernest Rutherford, có lần phát biểu "Tất cả mọi khoa học là vật lý hay chỉ là sưu tầm tem bưu điện" (all science is either physics or stamp collecting). Câu nói phản ánh một thái độ đượm màu sắc kiêu ngạo của một số nhà vật lý đương thời đối với những lĩnh vực khác và cũng đã gây phản cảm không ít đến các đồng nghiệp nghiên cứu sinh học hay hóa học. Cho mãi đến thập niên 50 của thế kỷ trước, thái độ của các nhà vật lý đối với nghiên cứu sinh học vẫn là "Các anh (các nhà sinh học) có biết tại sao các anh tiến bộ quá chậm không?" "Các anh phải dùng nhiều toán hơn chứ, như chúng tôi vẫn thường làm đấy!"[2]. Tuy nhiên cũng đã có những nhà nghiên cứu vật lý sớm ý thức về tầm quan trọng của sinh học, ngưỡng mộ những cơ chế trong cơ thể con người, đặt những câu hỏi tại sao có "sự sống" từ những nguyên tố vô tri như oxygen, nitrogen, calcium, phosphorous. Sau khi đưa ra phương trình sóng nổi tiếng tiên đoán sự tồn tại các vi hạt của thế giới nguyên tử, sinh học đã hấp dẫn Schrödinger và ông đã mang kiến thức vật lý của mình để lý giải các hiện tượng sinh học mà khi chỉ nhìn sơ bộ người ta có thể lầm tưởng như đi ngược lại các quy luật vật lý. Sự khám phá cấu trúc xoắn kép phân tử DNA của hai nhà vật lý Watson và Crick (giải Nobel Y học, 1962) dựa trên kết quả của Rosalind Franklin là một bước ngoặt lớn trong nghiên cứu sinh học. Những dự kiến thiên tài của Feynman trong bài nói chuyện năm 1959 [2] cũng đã liên quan rất nhiều về các mô hình và chức năng của phân tử sinh học.

Thật ra, sinh học cần đến một kính hiển vi cực mạnh để quan sát cấu trúc hơn là cần toán. Khi kính hiển vi điện tử có sức phóng đại vài trăm ngàn lần ra đời (nhờ vào công lao của các nhà vật lý ứng dụng), ngành sinh học hoàn toàn đổi dạng. Nó đã thoát xác từ việc "sưu tầm tem" mà Rutherford có ý khinh thường, mang tính mô tả chung chung, quan sát thói quen của động vật hay các cấu tạo thực vật hoa lá cành, đến môn "sinh học phân tử" đi sâu vào cấu trúc phân tử để tìm hiểu những cơ chế sinh học. Sinh học ngày nay đã lần lượt giải mã ra những điều bí ẩn mà thiên nhiên tạo ra. Sự kỳ diệu của vô số sản phẩm thiên nhiên từ cái cực lớn đến cái cực nhỏ kể cả cơ thể con người đã làm ngỡ ngàng biết bao trí tuệ khoa học và khiến ta không khỏi cúi đầu thán phục trước những kỳ công của tạo hóa.

3. Động cơ phân tử sinh học

Mô phỏng từ thiên nhiên là thói quen ngàn đời của loài người. Con người đã từng mơ ước muốn bay cao như chim, bơi lặn như kình ngư, chạy nhanh như hổ báo. Những điều này đã thúc giục con người làm nên những cỗ máy tuyệt vời, biến giấc mơ thành hiện thực. Bước vào thế kỷ 21, chưa thỏa mãn với việc bắt chước phiến diện bề ngoài, con người tiếp tục tìm kiếm nguồn sáng tạo từ Mẹ thiên nhiên để mô phỏng những cấu trúc sinh học ở mức phân tử. Phân tử sinh học như protein với những chức năng khác nhau là cái mốc cơ bản thu hút không ít sự chú ý của các nhà vật lý, vật liệu học và hóa học trong việc mô phỏng các sản phẩm của tạo hóa.

Thiên nhiên đã đi trước con người hàng tỷ năm trong việc tạo ra muôn loài với những bộ phận lớn và nhỏ đến cấp phân tử, được hoàn chỉnh theo thời gian qua sự tiến hóa. Con người cũng đã lập ra những kỳ tích, như chế tạo những bộ máy phản lực phóng con người vào không gian, những đầu máy xe lửa có khả năng kéo một đoàn tàu chạy hơn 500 km/h, những chiếc máy tính với khả năng ghi nhớ, tích trữ dữ liệu, các dụng cụ điện tử, quang điện tử làm cuộc sống thường nhật càng thêm thoải mái. Nhưng trên mức độ phức tạp và tinh vi, con người vẫn chưa vượt qua được những bộ máy thiên nhiên có một thiết kế không thừa không thiếu với chức năng đa dạng và hiệu suất tối ưu.

Ta thử quan sát một tế bào trong cơ thể. Tế bào là một đơn vị sinh học căn bản và cũng là một công trường tổng hợp được trang bị bằng nhiều động cơ phân tử, thực hiện những công việc đặc thù để duy trì sự sống như chuyển hóa (metabolism), phục chế các mã di truyền, chế tạo protein với các chức năng khác nhau, nhận các chất bổ dưỡng từ bên ngoài rồi biến chúng thành những nhiên liệu cần thiết cho cơ thể. Protein là một loại siêu phân tử (supramolecule) trong cấu tạo của các loài động vật có vú. Sự sống được duy trì bởi protein. Chẳng hạn, enzyme là protein có chức năng xúc tác cho các phản ứng sinh học của mọi quá trình chuyển hóa trong tế bào. Protein có chức năng hấp thụ khí như hemoglobin trong hồng huyết cầu mang oxygen từ phổi nuôi sống các tế bào. Những protein kháng thể của hệ thống miễn nhiễm có chức năng bảo vệ chống nhiễm khuẩn và những vật lạ xâm nhập cơ thể. Ngoài ra, collagen và elastin là những protein ở da và xương có chức năng cấu trúc. Động cơ protein như actin-myosin có chức năng co dãn trong cử động cơ bắp, hay kinesin có tác dụng như chiếc xe tải vận chuyển hàng hoá. Thậm chí có loại protein tự phát quang trong các loài sứa biển [5]. Hóa ra, thiên nhiên không những cho ta sự sống mà còn cống hiến những mô hình phân tử rất hoàn chỉnh của một động cơ từ việc di chuyển (như xe hơi), khuân vác (xe tải), phát quang (nhà máy điện) đến việc sản xuất/xúc tác (công trường).

Một trong những "cỗ máy" phân tử trong tế bào gây nhiều chú ý đến các nhà nghiên cứu động cơ phân tử là adenosine triphosphate (ATP) synthase (synthase: enzyme tổng hợp, viết tắt ATPase) (Hình 2). Về mặt hóa học, đây là một protein có chức năng xúc tác sản xuất hợp chất ATP. Về mặt cơ khí, ATPase là một động cơ nano quay tròn. Hợp chất ATP là những "cục pin" chứa năng lượng để tiêu dùng cho những hoạt động của cơ thể. Những chất bổ dưỡng ta nhận từ thức ăn sẽ biến thành năng lượng và năng lượng này sẽ được tích tụ trong phân tử ATP. Nhờ tính chất xúc tác của ATPase, lượng sản xuất những "cục pin" ATP gia tăng hàng tỷ lần.

Hình 2: Động cơ phân tử sinh học APTase

ATPase có kích thước 20 -100 nm và gồm hai phần: Fo và F1. Fo có hình giống bánh xe nước, là bộ phận quay gắn vào màng ti thể (mitochondrion) trong tế bào [6] và F1 có hình cây nấm. Trong quá trình tổng hợp ATP, Fo quay tròn với tần số 100 Hz (100 vòng/giây) giống như một bánh xe nước được điều động bởi sự khác biệt giữa nồng độ của ion H⁺ bên trong và bên ngoài màng ti thể. Fo thu hút H⁺ và nguồn năng lượng từ thức ăn được đưa qua F1 để kết hợp với adenosine diphosphate (ADP) để tạo ra những "cục pin" ATP. "Pin" ATP cho một năng lượng 15 MJ (Mega Joule)/kg, nhiều hơn 30 lần pin ion lithium cùng trọng lượng thường được dùng trong laptop, điện thoại di động [7].

Tổng hợp ATP là một quá trình rất quan trọng trong cơ chế dinh dưỡng của sinh vật. ATPase sản xuất 50 kg ATP mỗi ngày để cơ thể tiêu thụ. Cơ thể cần năng lượng cho sự co dãn bắp thịt trong việc đi đứng, chạy nhảy, khuân vác và tổng hợp các phân tử sinh học như các loại acid nucleic, protein để duy trì sự sống. Trong những hoạt động này, ATP phóng thích năng lượng và biến thành ADP.

ATP ADP + năng lượng

Như ta thấy trong Hình 2, cấu trúc của ATPase là một hệ thống vô cùng phức tạp và cho ta một mô hình thật hoàn chỉnh của một động cơ quay. Trong khi ý tưởng thu nhỏ của Feynman và Drexler hầu như bất khả thi trước những giới hạn được định sẵn bởi các quy luật vật lý, nhưng dựa trên sự mô phỏng sinh học, hóa học cho ta một giải pháp chế tạo động cơ phân tử triệt để và toàn diện. Các hợp chất được tổng hợp từ các phản ứng hóa học với những chức năng tiên định và là những bộ phận lý tưởng có thể lắp ráp tạo nên một động cơ phân tử theo đúng tinh thần của phương pháp "từ dưới lên". Chúng ta hãy xem các nhà hóa học đã tổng hợp các động cơ phân tử nano như thế nào.

4. Hóa học siêu phân tử (Supramolecular chemistry)

Như một nhà ảo thuật, với hơn 100 nguyên tố hóa học, gần 200 năm qua các nhà hóa học đã "bốc ra" từ cái nón "thần bí" của mình hàng trăm triệu hợp chất với những đặc tính khác nhau và vô số cấu trúc phân tử. Không ai hiểu rõ đặc tính từng nguyên tố hóa học và cách kết hợp giữa các nguyên tố như các nhà hóa học. 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 với những tác dụng dược liệu, chất xúc tác, thuốc nổ đến các loại polymer khác nhau có nhiều ứng dụng công nghiệp.

Nhu cầu nghiên cứu các công cụ và động cơ ở thang phân tử đã đưa hóa học vào một lĩnh vực mới nhiều thử thách. Phương pháp "từ trên xuống" như ta đã biết chỉ có thể gia công đến kích cỡ micromét hay vài trăm nanomét nhưng không thể thu nhỏ đến cấp phân tử. 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? Các nhà khoa học phải nhìn đến sinh học để tìm kiếm những mô hình thích hợp vì sự chuyển động (movement) 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.

Hóa tổng hợp "cổ điển" đã sản xuất phần lớn những hợp chất với cấu trúc liên kết cộng hóa trị (covalent bond). Các sản phẩm từ dầu hỏa, plastic/polymer, sơn, dược liệu, tơ sợi, phân bón, thuốc sát trùng và nhiều sản phẩm hóa học khác phần lớn là những hợp chất cộng hóa trị. Sản phẩm dựa trên các hợp chất này ngày nay có doanh thu vài ngàn tỷ đô-la mỗi năm trên thị trường thế giới. Dù có một sự thành công nhất định trên thương trường, các hợp chất có liên kết cộng hóa trị vô hình trung đã tạo ra sự khác biệt giữa hai thế giới của hóa học và sinh học. Trong khi các nhà sinh học khảo sát sự diễn biến rất ngoạn mục của những phân tử sinh học tác động lên nhau trong các quá trình duy trì sự sống, thì nhà hóa học bằng lòng với những chiếc ống nghiệm, dụng cụ thủy tinh các thứ, lắc lắc xoay xoay tiến hành phản ứng, tinh chế sản phẩm, gia tăng sản lượng để tạo ra các phân tử "bất động". Hay ít ra đây là sự khác biệt căn bản trước khi hóa học siêu phân tử ra đời và khẳng định chỗ đứng của mình.

Muốn bắt chước những phân tử sinh học như protein, các nhà hóa học cần tổng hợp những siêu phân tử (supramolecule). Siêu phân tử là những phức chất (complex) được tạo thành từ vài thành phần phân tử (molecular component/unit) đan xen vào nhau (Hình 3). Liên kết giữa các thành phần phân tử này không phải là liên kết cộng hóa trị như các hợp chất hóa học "cổ điển" mà là các liên kết liên phân tử (intermolecular bond) yếu hơn như nối hydrogen, nối van der Waals, nối ion. Vì là các liên kết yếu, khi được kích thích ở một điều kiện thích hợp, các thành phần phân tử có thể trượt tới trượt lui, di chuyển qua lại hay xoay tròn. Khi có sự di chuyển của những bộ phận, ta thấy ngay bóng dáng của một động cơ. Hình dạng siêu phân tử có thể nói là "thiên biến vạn hóa". Nó có thể là một phức chất của một tập hợp nhiều phân tử thành phần giống nhau, hay một cấu trúc vòng trong một cấu trúc vòng (Hình 4), hay một cấu trúc dây xuyên qua một cấu trúc vòng (Hình 5).

Hình 3: Quá trình tổng hợp của siêu phân tử. (a): Tổng hợp "cổ điển" tạo phân tử có liên kết cộng hóa trị;
(b): Phức hóa (complexation) các phân tử tạo thành siêu phân tử với liên kết liên phân tử.

Thật ra, trong hàng chục, trăm triệu hợp chất hóa học được tổng hợp vài trăm năm qua, đâu đó đã xuất hiện các siêu phân tử. Các siêu phân tử đơn sơ đầu tiên gây sự chú ý có lẽ vì vẻ đẹp lập thể phân tử hơn là tiềm năng áp dụng của chúng. Tuy nhiên, hai mươi năm gần đây công nghệ nano đã đem tới siêu phân tử một màu áo thực dụng. Giải Nobel Hóa học (năm 1987) được trao cho ba chuyên gia hóa học siêu phân tử, Donald J. Cram, Jean-Marie Lehn và Charles J. Pedersen, là một bước ngoặt lớn đánh dấu sự trưởng thành của bộ môn này. Nó nhanh chóng trở thành một ngành chuyên biệt trong khoa học và cũng là giao điểm của các nghiên cứu liên ngành giữa hóa học, sinh học, vật lý, vật liệu, điện tử và y học.

Từ thập niên 90 của thế kỷ trước hóa học siêu phân tử càng lúc càng trở nên tinh vi và phức tạp. Các phương pháp tổng hợp dùng hạt nano, fullerene, dendrimer trong cấu trúc phân tử đã đa dạng hóa siêu phân tử và tạo ra những chức năng như tự lắp ráp (self-assemble), biết cảm ứng, biết lựa chọn, biết nhận thức (regconition) giống như phân tử sinh học. Ngoài ra, siêu phân tử còn khả năng biến hoán và tích trữ năng lượng mặt trời, tiềm năng tải thuốc đến tế bào và trừ khử độc tố.

5. "Xui bước chân đây cũng ngại ngùng" [8]

Chúng ta không thể nghĩ một cách đơn thuần là động cơ phân tử là một dạng "tí hon" được thu nhỏ từ những cỗ máy bình thường. Khi một vật được thu nhỏ, những hiện tượng không thấy ở trạng thái vĩ mô xuất hiện. Chỉ cần thu nhỏ đến micromét như các hệ thống điện cơ vi mô (MEMS), ảnh hưởng của trọng lực không còn là vấn đề, nhưng vì sự gia tăng bề mặt của việc thu nhỏ, sức căng bề mặt, lực van der Waals, lực tĩnh điện, làm cho việc lắp ráp và thao tác trở nên khó khăn.

Trong việc chuyển hoán năng lượng thành cơ năng, Feynman đã dự kiến rằng động cơ phân tử không thể có cơ chế máy nổ đốt nhiên liệu như máy ô-tô. Máy nổ phân tử là một việc bất khả thi và cũng không phải là một chọn lựa lý tưởng trên quan điểm công nghệ xanh. Chất thải nhà kính carbon dioxide (CO₂) phần lớn đi từ máy nổ đã làm thay đổi khí hậu toàn cầu và đang làm "ngạt" địa cầu. Động cơ phân tử phải hoạt động ở một nhiệt độ bình thường và không cho ra những chất thải. Một lần nữa, ta phải học hỏi từ các cấu trúc thiên nhiên và bộ phận sinh học. Khác với các phản ứng hóa học xảy ra trong phòng thí nghiệm nhiều lúc đòi hỏi điều kiện áp suất, nhiệt độ thật cao hay thật thấp, tất cả những phản ứng sinh hóa học trong sinh vật sản xuất ra những hợp chất hay phân tử đều ở điều kiện bình thường của cơ thể (áp suất 1 atm, nhiệt độ 37 °C). Động cơ ATPase quay được là nhờ sự khác biệt độ pH (nồng độ của ion H⁺). Các phản ứng quang hợp đường glucose trong lá cây tạo năng lượng cho sự sống thực vật xảy ra trong điều kiện bình thường của áp suất và nhiệt độ của môi trường xung quanh. Vì vậy, năng lượng kích hoạt cho động cơ phân tử nhân tạo phải là sóng điện từ (ánh sáng, nhiệt), năng lượng hóa học (độ pH) hay năng lượng điện hóa (phản ứng oxid hóa/khử).

Khi thu nhỏ đến cấp phân tử, hiệu quả gây ra bởi dao động nhiệt Brown xuất hiện [4]. Dao động Brown là một biến số cực kỳ quan trọng quyết định sự thành bại của động cơ phân tử. Nó có thể là bạn nhưng cũng có thể là thù tùy vào phép ứng xử của con người. Hãy tưởng tượng một người đi trong mưa gió. Mưa ở đây là trận mưa đá bị giông bão thổi không theo một phương hướng nhất định. Người đi lúc thì bị gió thổi về phía trước, lúc thì bị giật ngược về phía sau, anh ta phải bỏ nhiều công sức chống chọi với mưa bão để tiến đến mục tiêu. Nếu không đủ sức mạnh, anh ta sẽ bị mưa gió thổi bay về một phương trời vô định và cũng có thể mất mạng không chừng!

Thí dụ trên cho thấy hình ảnh các động cơ phân tử hoạt động trong môi trường thiên nhiên. Tỷ lệ độ lớn giữa người đi trong mưa gió và những cục mưa đá to bằng nắm tay giống như tỷ lệ giữa protein và phân tử nước hay phân tử oxygen, nitrogen trong không khí. Những phân tử của môi trường xung quanh (nước hay không khí) va đập vào protein hàng tỷ lần trong một giây do sự dao động nhiệt Brown [9]. So với động cơ protein, "người đi trong mưa gió" chỉ là một hình ảnh tương đối nhẹ nhàng. Dù vậy, những cục mưa đá chỉ cần đập vào người 10 lần/giây cũng đủ làm sự di chuyển trở nên cực kỳ khó khăn.

Các nhà nghiên cứu Nhật Bản thiết kế một thí nghiệm để quan sát trực tiếp sự di động của động cơ protein kinesin đi "hai chân" trong môi trường sinh học [10]. Họ nhìn thấy kinesin đương đầu trước những "trận bão" Brown với sự va đập không khoan nhượng của phân tử môi trường. Cũng giống như viên đá đập vào người, năng lượng va đập của một phân tử tương đương với 1/10 năng lượng cần cho mỗi bước đi của kinesin [11]. Ôi! những trận cuồng phong Brown "xui bước chân đây cũng ngại ngùng", đã khiến kinesin di chuyển một cách ngập ngừng, khập khiễng, có lúc bất chợt nhảy về phía trước, thỉnh thoảng đi giật lùi vài bước phía sau. Nhưng dù bị nhiễu loạn, "ngại ngùng", kinesin vẫn kiên trì tiến về một hướng nhất định.

Để có một suy nghĩ định lượng, ta hãy nhìn lại hai con số: (1) phân tử môi trường va đập hàng tỷ lần trong một giây vào kinesin và (2) năng lượng một va đập bằng 1/10 năng lượng một bước đi. Khi ta phóng đại tất cả chi tiết của "trận bão" Brown thành sự kiện của thế giới đời thường thì quả thật đây là những trận cuồng phong chưa từng có trong lịch sử! Nếu bị những cục mưa đá va đập vào người với sức mạnh và tần số như thế này thì ta không bao giờ đi đến mục tiêu và có nguy cơ… chết tan xác giữa đường! Từ hai con số này nếu ta suy diễn theo một lôgic đơn giản thì sẽ không có một protein nào làm tròn nhiệm vụ mà cơ thể đã giao phó và sẽ không có sự sống! Tuy nhiên, sự sống hiện hữu, và hiện hữu một cách ngoan cường những 4 tỷ năm. Trong những trận cuồng phong Brown, các phân tử sinh học vẫn tồn tại, hoạt động theo các chức năng tự nhiên và hoàn thành mỹ mãn công việc của mình. Như vậy, làm sao kinesin hay những động cơ protein khác có thể hoạt động trong "bão tố"? Như các võ sĩ Aikido (Hiệp khí đạo), thay vì cưỡng chống lại sự tấn công của đối phương, anh ta dùng những thế võ biến sức của địch thành sức của mình rồi kiềm chế ngược lại. Rõ ràng kinesin là một anh võ sĩ Aikido tài ba, có cơ chế "bánh cóc" (ratchet) đi một chiều, nhận năng lượng hỗn loạn từ những cơn bão Brown rồi biến thành năng lượng của mình và đi tới theo một hướng định sẵn (Hình 6). Tuy cơ chế "bánh cóc" trong động cơ phân tử sinh học vẫn còn nhiều bí ẩn chưa có câu trả lời rõ ràng, nhưng nó cho ta một mô thức để hình thành các động cơ phân tử nhân tạo.

Hình 6: Bánh cóc có hai bộ phận (a): cây chốt và (b): bánh xe. Vì cây chốt nên bánh xe chỉ có thể quay một chiều (Nguồn: Wikipedia).

6. Cái kẹp và cái quạt phân tử

Mô phỏng động cơ quay ATPase để chế tạo động cơ quay phân tử có thể xuất phát từ những nguyên lý căn bản trong hóa hữu cơ như sự đồng phân (isomerization) và biến dạng lập thể (conformation). Dựa trên cấu trúc hình học, nếu ta tổng hợp được nhóm biên (side group) có thể xoay quanh trục C = C (carbon – carbon), N = N (nitrogen – nitrogen) hay C = N (carbon – nitrogen), khi được kích thích bởi năng lượng (quang, nhiệt...) thì ta có một động cơ phân tử đơn giản. Nhóm biên gắn vào C (hoặc N) ở hai vị trí chính cis và trans. Khi bị kích thích, nhóm biên xoay quanh nối C = N, liên tục cho ra dạng cis → trans → cis → ... [Hình 7]

Hình 7: Đồng phân cis và trans: khi bị kích thích nhóm biên di động cis → trans → cis → ...

Hình 8: Cây kẹp phân tử với chuyển động đóng/mở xung quanh trục N = N. Chuyển động "đóng" từ trái sang phải (trans → cis) được kích hoạt bằng tia tử ngoại; chuyển động "mở" từ phải sang trái (cis → trans) bằng nhiệt [12].

Sự kích thích của tia tử ngoại và nhiệt làm đổi dạng cis/trans của hợp chất mang liên kết N = N (Hình 8) cho ta một cái kẹp phân tử biết đóng mở thuận nghịch. Cái kẹp này là một trong những động cơ phân tử nhân tạo đầu tiên được ghi nhận [12] .

Nhóm nghiên cứu của giáo sư Feringa (Hà Lan) đã tổng hợp một hợp chất đối xứng mang hai mảnh (Hình 9) [13-14]. Một mảnh sẽ được giữ cố định và một mảnh quay xung quanh trục C = C như cánh quạt khi được kích thích bởi sóng điện từ và nhiệt. Như trình bày trong Hình 9, sự quay xảy ra bởi một chu kỳ có 4 giai đoạn nhờ sự kết hợp của tia tử ngoại và nhiệt.

Mặc dù một vòng quay cần hơn 400 giờ để thực hiện, có thể nói đây là động cơ quay phân tử nhân tạo đầu tiên "đời thứ nhất" theo đúng định nghĩa của "động cơ". Tuy quay rất chậm nhưng cánh quạt quay theo một hướng nhất định (unidirectional) theo cơ chế bánh cóc.

Hình 9: Cái quạt phân tử quay theo chiều kim đồng hồ với nguồn năng lượng kích thích bằng tia tử ngoại và nhiệt [14].

(a)           (b)

Hình 10: Thay đổi cấu trúc phân tử để nâng cao những đặc tính. Cấu trúc (a) quay 44 vòng/giây và cấu trúc (b) có thể kết hợp với hạt nano vàng.

Nhóm nghiên cứu Hà Lan tiếp tục tổng hợp một số hợp chất khác bằng cách thay đổi nhóm biên, thay cấu trúc vòng sáu góc bằng cấu trúc năm góc (Hình 10a) [15], chế tạo động cơ "đời thứ hai, thứ ba". Ở cùng một điều kiện kích thích năng lượng, cấu trúc mới có vận tốc quay tăng lên 100 triệu lần với số vòng quay 44 vòng/giây (hay là 44 Hz). Từ động cơ "đời thứ nhất" (năm 1999) chỉ trong vòng 5 năm, nhóm nghiên cứu này đã cho ra những thành quả rất tốt đẹp với khả năng tổng hợp tuyệt vời tạo ra nhiều cấu trúc phân tử đa dạng [14-15]. Cấu trúc trong Hình 10b mang hai nhóm biên dài để kết hợp với hạt nano vàng được dùng như cái bệ thao tác. Từ những cảm nhận thông thường, ta thấy ngay việc "cài" các động cơ phân tử vào bề mặt chất rắn (hạt nano, bề mặt silicon, thủy tinh) là một phương pháp thực tiễn cho các ứng dụng và đồng thời động cơ có thể tận dụng được dao động Brown để quay theo một hướng nhất định theo cơ chế bánh cóc.

7. Con thoi phân tử

Thí dụ trên đây cho thấy các hợp chất hoá học có thể thiết kế cho ra một động cơ phân tử đơn giản dựa trên sự chuyển dạng cis ↔ trans và chuyển động như một "vật sống" giống các phân tử sinh học. Tuy nhiên, các nhà khoa học không đơn thuần thỏa mãn với cơ chế này. Hoá học siêu phân tử đã cho phép các nhà hóa tổng hợp một phương tiện tạo ra những phức chất đưa động cơ phân tử đến mức độ tinh vi hơn. Hai cấu trúc động cơ phân tử quan trọng là: rotaxane và catenane [16] (Hình 11). Thuật ngữ rotaxane được phối hợp từ hai chữ La-tin rota (bánh xe, wheel) và axis (trục, axle); và catenane từ chữ catena (dây xích, chain). Cái vòng của rotaxane có thể di chuyển tịnh tiến tới lui đến từng địa điểm trên cây trục như chiếc xe lửa dừng ở các trạm ga. Hai đầu của cái trục được gắn bởi nhóm phân tử to để chặn cái vòng không bị tuột ra ngoài. Đây là chuyển động con thoi. Chuyển động con thoi nhanh nhất của một rotaxane cảm quang được ghi nhận trên một đoạn dài 1,5 nm là 10 kHz (10.000 lần/giây) [17]. Cái vòng cũng có thể được thiết kế để xoay quanh trục. Catenane gồm hai vòng: một vòng cố định và một vòng xoay. Tất cả những chuyển động này có thể được kích thích bởi quang, nhiệt, năng lượng hóa, độ pH hay phản ứng oxy hóa/khử (redox). Rotaxane và catenane là hai động cơ đơn vị mang những ưu điểm hình học cũng như hoạt tính hoá học. Chúng có thể hoạt động riêng lẻ độc lập hay được dùng như bộ phận lắp ráp để chế tạo những động cơ phân tử phức tạp hơn.

Hình 11: Hình minh họa rotaxane và catenane (a): Cái vòng của rotaxane di động tịnh tiến qua lại như con thoi; (b): Cái vòng rotaxane quay quanh tại một điểm và (c): Hai vòng của catenane, một vòng quay, một vòng cố định.

Một thí dụ của rotaxane là siêu phân tử trong đó cái trục có hai trạm dừng [18]. Cái vòng đi tới lui giữa hai trạm qua sự tiếp xúc với acid hay bazơ trong dung dịch (biến đổi pH) (Hình 12). Để có một ứng dụng thực tiễn, chuyển động con thoi có thể được kích hoạt bằng quang hay nhiệt trong các rotaxane cảm quang/nhiệt.

Hình 12: (a): Cấu trúc siêu hóa học của phân tử rotaxane và (b) (c): hình minh họa. Chuyển động con thoi, (b) ↔ (c), được thực hiện qua sự biến đổi pH [18].

 

Với cơ chế con thoi, rotaxane hành xử như là một công tắc đóng/mở (on/off) hay là 0/1 (không/có) trong nguyên tắc điều biến nhị phân (binary modulation). Có nghĩa là, khi cái vòng dừng ở trạm thứ nhất ta có trạng thái "đóng" (hay là 0), ở trạm thứ hai, trạng thái "mở" (hay là 1). Vì vậy, rotaxane cho nhiều tiềm năng ứng dụng hơn là cái quạt phân tử của thí dụ bên trên [19]. Để có một ứng dụng, các động cơ phải được "cài" hoặc "trồng" trên các bề mặt chất rắn có kích thước micromét hay milimét. Những tác động đồng thời và đồng loạt của các động cơ phân tử sẽ đưa đến hiệu quả vĩ mô, "triệu cây chụm lại nên hòn núi cao", tạo ra những biến chuyển vĩ mô thích hợp cho từng ứng dụng. Ta hãy xem vài thí dụ sau.

Huang và các cộng sự [20] đã cài các phân tử rotaxane lên bề mặt của những ngón tay silicon mềm và dài (kích thước 500 x 100 x 1 μm). Các động cơ này có thể được "cài" theo cơ chế tự lắp ráp của siêu phân tử trên bề mặt vật liệu. Rotaxane được thiết kế có 2 cặp trạm đối xứng (trạm 1 – trạm 2 – trạm 2 – trạm 1) và hai vòng gắn vào bề mặt silicon (Hình 13). Khi rotaxane tiếp xúc với dung dịch oxid hóa (oxidant), hai vòng cùng lúc từ trạm 1 tiến đến trạm 2. Sự di chuyển đồng loạt của hàng tỷ, hàng tỷ tỷ rotaxane làm bề mặt cong lên 35 nm (Hình 14). Khi tiếp xúc với dung dịch khử (reductant), hai vòng trở lại vị trí ban đầu và bề mặt thẳng trở lại. Rotaxane này có chức năng giống như động cơ sinh học myosin trong sự co dãn cơ bắp.

Hình 13: Siêu phân tử rotaxane với 2 cặp trạm (1-2-2-1) đối xứng và hai cái vòng (con thoi) được liên kết với bề mặt silicon.

Hình 14: Hai cái vòng di chuyển cùng lúc từ trạm 1 đến trạm 2 làm bề mặt cong lên 35 nm (hình phải) và khi từ trạm 2 trở lại trạm 1 làm bề mặt thẳng lại (hình trái) [20].

Rotaxane có thể được phủ lên một vật liệu và có một tác dụng làm biến đổi năng lượng bề mặt của vật liệu. Nghĩa là, bằng một kích động (quang hay nhiệt) tính thấm ướt bề mặt được biến đổi từ thích nước (hydophilic) đến ghét nước (hydrophobic) và ngược lại. Để thực hiện điều này, người ta đã tổng hợp cái trục rotaxane có hai trạm: trạm 1 mang nhóm ghét nước và trạm 2 mang nhóm thích nước. Khi cái vòng dừng ở trạm 1, nhóm ghét nước bị che lại, ta có bề mặt thích nước. Khi dừng ở trạm 2, nhóm thích nước bị che, bề mặt trở nên ghét nước. Nhóm nghiên cứu Berná (Đại học Edinburgh, Anh)[21] đã tổng hợp một rotaxane theo nguyên tắc đơn giản này và thiết kế một thí nghiệm đầy tính thuyết phục cho thấy sự biến chuyển năng lượng bề mặt của thủy tinh được phủ bởi rotaxane. Trục của rotaxane mang nhóm fluoroalkane (trạm 1) ghét nước (giống như Teflon). Khi chiếu tia tử ngoại vào, cái vòng của hàng tỷ tỷ của siêu phân tử rotaxane đồng loạt di chuyển đến trạm 1, che khuất nhóm fluoroalkane làm bề mặt dưới tia tử ngoại trở nên thích nước hơn. Trong thí nghiệm, một giọt chất lỏng được nhỏ trên bề mặt và một chùm tia tử ngoại chiếu lên một khoảnh bề mặt kế cận giọt chất lỏng. Vùng bị chiếu này trở nên thích nước, giọt chất lỏng bị hấp dẫn, sẽ dãn ra và đi về phía trước như con giun bò trên mặt đất. Cứ như thế, giọt chất lỏng có thể "bò" trên một mặt phẳng nghiêng 12° (Hình 15).

Hình 15: Tia tử ngoại làm vùng bị chiếu trở nên thích nước. Giọt chất lỏng tự động lan rộng đến vùng này khiến toàn thể giọt chất lỏng di động trên bề mặt và leo dốc 12°.

Một ứng dụng tuyệt vời khác cũng dùng động cơ rotaxane được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu Stoddard. Giáo sư Stoddart là một trong những người tiên phong trong các nghiên cứu ứng dụng của động cơ phân tử. Nhóm này tổng hợp siêu phân tử "biến tấu" của rotaxane làm ra van (valve) đóng/mở nano [22]. Các siêu phân tử tự lắp ráp trên bề mặt thể xốp silicon xung quanh những lỗ xốp nano của silicon. Những lỗ xốp này là những bình nano chứa phân tử sẽ được phóng thích. Các rotaxane có tác dụng như cái van nano. Khi không bị kích hoạt cái vòng của rotaxane nằm trên trục có tác dụng đóng bình. Khi dùng ánh sáng kích hoạt, cái vòng sẽ tuột ra làm van mở khiến các phân tử tuôn ra ngoài bình. Van có thể đóng mở thuận nghịch tùy vào điều kiện kích hoạt và có thể tái dụng. Van nano này cho một tiềm năng ứng dụng rất hữu ích là tải thuốc đến các tế bào ung thư cho hóa trị liệu. Trong trường hợp này các phân tử trong lỗ xốp là phân tử dược liệu trị ung thư. Đặc biệt, van nano này được nối kết với pin mặt trời phân tử chế tạo từ phức chất fullerene C₆₀ cung cấp năng lượng để van nano hoạt động. Những chi tiết thú vị này đã được trình bày tỉ mỉ trong bài báo cáo đã dẫn [22]. Có thể nói đây là một hệ thống điện cơ nano (nano electro-mechanical system, NEMS) rất hoàn chỉnh mang những đặc tính của hệ thống sinh học như tự vận hành (autonomous) và không có chất thải độc hại trong quá trình hoạt động.

Những ứng dụng khác được đề cập trong các bài báo cáo gần đây của các siêu phân tử là tính xúc tác (tương tự như enzyme), hoạt tính sinh học, hay trong lĩnh vực "phân tử điện tử học" (molecular electronics) như công tắc quang học (photo switch), quang điện tử (optoelectronic switch) [23-24]. Phân tử điện tử học là một bộ môn nghiên cứu các dụng cụ điện tử, quang điện tử nano theo phương pháp "từ dưới lên" mà những vật liệu trong vi mạch không còn là những chất rắn bán dẫn vô cơ như silicon mà sẽ là các hợp chất hữu cơ, ống than nano, fullerene C₆₀, polymer dẫn điện, phân tử sinh học như các loại protein, DNA, RNA. Những thành quả nghiên cứu trong vài thập niên vừa qua được trình bày trong quyển sách giáo khoa "Molecular Electronics" xuất bản gần đây [25].

Siêu phân tử là hợp chất hữu cơ quan trọng của phân tử điện tử học. Trở lại siêu phân tử rotaxane với con thoi (cái vòng) dừng ở các trạm khác nhau. Như đã đề cập bên trên, ta có sự điều biến nhị phân (đóng/mở hay 0/1) trong cấu trúc của rotaxane (Hình 11a). Cơ chế của transistor trong các chip vi tính cũng là cơ chế đóng/mở mà ta gọi là cổng lôgic (logic gate) chế ngự những thao tác của máy vi tính và các dụng cụ điện tử. Sự tương tự của tác dụng cổng lôgic giữa rotaxane và transistor "cổ điển" cho ta thấy hình ảnh tương lai của transistor phân tử và máy vi tính phân tử. Đây là giấc mơ của các nhà thiết kế vi mạch và chip vi tính. Transistor làm từ siêu phân tử sẽ là một sản phẩm "từ đáy" của vật liệu và sự lắp ráp máy vi tính phân tử rõ ràng là phương pháp "từ dưới lên". Máy vi tính phân tử sẽ có một bộ nhớ vĩ đại và năng suất 100 tỷ lần cao hơn máy vi tính hiện tại. Nếu suy luận qua độ lớn, ta sẽ có một máy vi tính to bằng hạt cát với năng suất 100 lần nhiều hơn máy vi tính mà người viết đang sử dụng [26]!

8. Xe cút kít hay xe Mercedes?

Kể từ ngày giải Nobel Hóa học (1987) được trao cho công trình siêu phân tử, nghiên cứu về động cơ nano và dụng cụ phân tử bùng phát. Những thành quả trong hai mươi năm qua đã được viết thành sách [27–28]. Một bài tổng quan đặc sắc với tựa đề "Synthetic Molecular Motors and Mechanical Machines" (Động cơ phân tử từ tổng hợp và máy cơ khí) dày 120 trang A4 với gần 650 trích dẫn đã xuất bản vào năm 2007 [29]. Những tài liệu này cho thấy sự đa dạng của những phức chất siêu phân tử và tiềm năng ứng dụng của chúng trong công nghệ nano.

Nhưng có thể chúng ta tự hỏi "Con người thật sự cần đến động cơ phân tử, để làm gì?”. Với kỹ thuật gia công "từ trên xuống" đến mức micromét và thậm chí vài trăm nanomét, có phải chăng nền công nghiệp hiện đại đã tạo ra vô số dụng cụ hữu ích cho nhân loại, có cần phải tiếp tục thu nhỏ với phương pháp "từ dưới lên"? Để có câu trả lời chính xác, có lẽ ta phải nhìn vào cơ thể của chính mình và quan sát sự hài hòa của cảnh vật quanh ta. Qua một thời gian rất dài của hàng tỷ năm, sự tiến hóa đã điều chỉnh và tiếp tục hoàn chỉnh các động cơ phân tử để hoàn thiện các quá trình sinh học của tất cả sinh linh trên quả đất này. Tất cả đều do phương pháp "từ dưới lên". Như vậy, từ 4 tỷ năm trước, Mẹ thiên nhiên cũng đã đặt ra câu hỏi này và có câu trả lời rất khẳng định. Hệ quả là trong vũ trụ ít nhất có một hành tinh xanh mang sự sống mà trên đó con người là đỉnh cao của sự thông minh.

Ngoài ra còn một nhận xét thú vị khác. Nền công nghiệp "từ trên xuống" của thế kỷ 20 đã cung cấp vô số sản phẩm điện tử, quang học, quang điện tử, nhưng hầu như nó chưa cung cấp một dụng cụ nào có một công năng được kích hoạt do sự di động hay biến chuyển hình dạng của phân tử. Nhưng trong sinh vật, đó lại là "chuyện thường ngày ở huyện"; những biến đổi vi mô ở thang phân tử đưa ra hiệu quả vĩ mô. Trong những thí dụ của động cơ rotaxane, sự di động con thoi rotaxane làm cong ngón tay silicon hoặc thay đổi năng lượng bề mặt chất rắn, hay là cái van nano có tác dụng phóng thích vật chất từ bình chứa nano, những điều này cho thấy hiệu quả vĩ mô được gây ra bởi sự biến dạng phân tử ở cấp vi mô. Những thành quả này chứng tỏ phương pháp "từ dưới lên" mang đầy đủ hành trang để tạo ra sản phẩm có tác dụng do sự biến chuyển "từ đáy" của các động cơ phân tử.

Hiện nay, hàng loạt động cơ phân tử "đời mới" đã được tổng hợp và cài lên các bề mặt chất rắn cho các ứng dụng khác nhau [24,29-30]. Tuy nhiên, vẫn chưa có động cơ phân tử có thể "làm việc" trong dung dịch như các động cơ sinh học hoạt động trong dung dịch nước, trong máu hay trong chất nhờn của cơ thể. Việc tạo ra một phân tử nhân tạo theo mô hình các phân tử sinh học như ATPase, enzyme, kinesin và những protein khác có một cấu tạo cực kỳ phức tạp là một việc bất khả thi, vượt ngoài khả năng cho phép của hóa tổng hợp. Hãy tưởng tượng chiếc tàu ngầm nano dưới sự điểu khiển của con người có thể chạy tới lui trong huyết quản, tìm đến những vết thương "lùng và diệt" vi khuẩn, hay tải thuốc đến tế bào ung thư. Hoặc là một cái máy bơm nano có thể "bơm" ion từ chỗ này sang chỗ kia làm thay đổi nồng độ ion trong dung dịch, như cái máy bơm nước của nông dân. Đây là những kỳ vọng, nhưng còn rất lâu con người mới có được kỹ năng tổng hợp và lắp ráp những siêu phân tử để chế tạo chiếc tàu ngầm nano hay máy bơm nano có thể tung hoành trong dung dịch.

Từ cuộc cách mạng công nghiệp ở thế kỷ 18 cho đến ngày hôm nay, con người đã chế tạo, hoàn thiện và hiểu rất rõ những động cơ vĩ mô. Tiếc rằng, động cơ phân tử không phải là một hình ảnh thu nhỏ của động cơ vĩ mô và những nguyên lý nhiệt động học của máy nổ cũng không thể áp dụng vào động cơ phân tử. Mô phỏng sinh học là con đường tất yếu, nhưng các nhà khoa học vẫn chưa am tường cấu trúc của phân tử sinh học, cơ chế vận hành và sự chuyển hoán năng lượng vô cùng hiệu quả của các động cơ sinh học nano. Có phải chăng ta đi vào ngõ cụt hay là đang lọt vào địa đàng còn mờ mịt khói sương? Dù là ngõ cụt hay địa đàng, sự tưởng tượng của con người lúc nào cũng cho ta một bước nhảy lượng tử vượt qua khó khăn.

Hãy bình tĩnh suy xét, con người có thật sự cần đến những phân tử vô cùng phức tạp, tinh vi như phân tử sinh học để tạo thành động cơ? Nếu chưa có khả năng chế tạo xe Mercedes hay Lexus hạng sang, thì ta phải bằng lòng với khả năng của mình, quanh quẩn sau nhà làm xe chạy bằng hơi nước, thậm chí một chiếc xe gỗ cút kít lộc cộc. Những chiếc xe thô sơ này, dù chậm nhưng vẫn có thể giúp ta di chuyển từ A đến B. Thực tế cho thấy con người đã tạo ra những chất xúc tác tuy không phức tạp như phân tử enzyme nhưng cũng đã làm được những đột phá trong công nghiệp dầu hỏa, polymer, dược liệu, sản xuất ra những thương phẩm giá trị.

Như đã được trình bày ở trên, những siêu phân tử đơn giản - cực kỳ đơn giản - khi so với phân tử sinh học, cũng có thể tự lắp ráp và hoàn thành một công việc như các phân tử sinh học khi được kích động bằng nguồn năng lượng từ bên ngoài. Những trải nghiệm này cho thấy ta không cần phải đợi đến lúc có một động cơ với cấu trúc toàn bích cho một ứng dụng. Cũng có một số nhà nghiên cứu muốn đốt cháy giai đoạn bằng cách tạo ra vật liệu lai giữa thiên nhiên và nhân tạo. Thí dụ, APTase được cài vào môi trường chất béo (lipid) nhân tạo và trong môi trường này động cơ APTase vẫn có thể hoạt động tạo ra những "cục pin" ATP như trong tế bào sinh vật [31]. Phân tử sinh học như DNA được cải biến để tạo chip vi tính, bộ nhớ, công tắc hay động cơ cho những dụng cụ nhân tạo [29,32]. Sự vay mượn vật liệu từ thiên nhiên có thể xem là một phương pháp trung dung nhưng rất hài hòa như một bức tranh thuỷ mặc mang nhiều đường nét được người họa sĩ chăm chút tỉ mỉ ở vài chi tiết quan trọng đặt trong một bối cảnh với những chấm phá đơn sơ.

9. Có chăng một lý thuyết dẫn đường?

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 [33].

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 [34]. 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.

10. Lời kết

Một ý nghĩ buồn cười bỗng chợt đến khi tác giả viết những dòng kết luận này. Mẹ thiên nhiên đã khởi hành trước ta những 4 tỷ năm. Nếu quay ngược dòng thời gian trở lại khởi điểm 4 tỷ năm trước, trong vòng vài thập niên ở cái thuở hoang sơ mông muội khi sự sống vừa mới xuất hiện, liệu động cơ của Mẹ thiên nhiên lúc đó có hoàn hảo hơn các động cơ phân tử nhân tạo ta đang có hiện tại hay không? Ai sẽ hơn ai?

Dù cho thiên nhiên hay nhân tạo, mỗi sản phẩm của chúng vẫn luôn là một bức tranh nghệ thuật toàn mỹ, ta thấy thấp thoáng cái mỹ học trong khoa học. Có nhiều lúc người viết phải xuýt xoa trầm trồ khi nhìn bộ máy mạ bạc của những chiếc xe mô-tô Harley-Davidson thường đậu trước một công viên gần nhà, cũng như thầm ngưỡng mộ thiên nhiên đã chăm chút tạo ra vẻ đẹp tận mỹ của phân tử như động cơ xoay tròn APTase, động cơ hai chân kinesin, hay thán phục cái trực cảm của các nhà hóa học đã biến vô số cấu trúc đối xứng lập thể của các siêu phân tử thành hiện thực. Sực nhớ lại bộ ly tách, chén dĩa, những đôi đũa nhỏ xíu làm bằng tay cộng thêm trí tưởng tượng phong phú của bọn con gái hàng xóm trong cuộc chơi nhà chòi xưa kia, người viết cảm thấy một cái gì rất thân thiện, dễ thương hiện về. Nhưng nó vẫn không hấp dẫn thú vị bằng những "điệu múa" đồng loạt giống như vũ điệu cancan vui nhộn của những người đẹp Moulin Rouge quyến rũ, lúc xoay, lúc nhảy, lúc quơ chân của các "diễn viên" phân tử tí hon theo một giai điệu của thiên nhiên hay ca khúc của con người...

Trương Văn Tân

Tài liệu tham khảo và ghi chú

1. Xin xem bài "Khoa học và công nghệ nano: trong một thế giới cực nhỏ" cùng tác giả trong: www.vietsciences.free.fr hay www.erct.com để phân biệt phương pháp "từ trên xuống" và "từ dưới lên".

2. Richard P. Feynman, "There's plenty of room at the bottom" (Google search).

3. S. A. Edwards, "The Nanotech Pioneers – Where Are They Taking Us?", Wiley-VCH, Weinheim, 2006.

4. Chuyển động được nhà thực vật học Robert Brown quan sát đầu tiên vào thế kỷ thứ 19. Dưới ống kính hiển vi, Brown nhìn thấy những hạt bông phấn vừa lơ lửng trong nước vừa nhảy loạn xạ (random). Đây là một hiện tượng chung cho dung dịch keo (colloid), tức là những dung dịch mang những hạt nhỏ (~ 1 μm) lơ lửng nhưng không trầm hiện (thí dụ: nước sơn, nước bùn, nước phù sa). Phân tích dựa trên lý luận động học của phân tử (molecular kinetics) Einstein đã cho chúng ta biết được một cách chính xác rằng sự di động tưởng chừng như là "vô nguyên tắc" của hạt bụi, bông phấn hay hạt bùn trong nước chẳng qua là do sự xô đẩy, va đập của những phân tử nước di động. Hình ảnh này cũng giống như một ông khổng lồ (hạt bụi hay hạt bông phấn) bị bao vây và xô đẩy giữa một rừng người tí hon (phân tử nước). Những phân tử này di động được là do sự dao động nhiệt. Vì vậy, nhiệt độ càng cao thì sự xô đẩy càng nhiều và sự di chuyển càng nhanh. Những hạt nhỏ luôn luôn di động được nhờ nhiệt của môi trường xung quanh nên sự trầm hiện và ngưng tụ giữa các hạt không bao giờ xảy ra.

5. Các giáo sư Osamu Shimomura, Martin Chalfie, Roger Y. Tsien đồng đoạt giải Nobel Hóa học 2008 cho công trình protein phát quang.

6. Ti thể (mitochondrion) là những bào quan hình bầu dục dài khoảng 2 m, đường kính 0,5 m. Mỗi tế bào chứa hàng nghìn ti thể (theo Lê Đức Trình, "Sinh học phân tử của tế bào", Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2001).

7. J. D. Madden, Science, 318 (2007) 1094.

8. Thơ Huy Cận: Ôi nắng vàng sao mà nhớ nhung! Có ai đàn lẻ để tơ chùng. Có ai tiễn biệt phương xa ấy? Xui bước chân đây cũng ngại ngùng... (Nhớ hờ).

9. R. D. Astumian, Scientific American, July 2001, 57.

10. R. D. Vale, T. Funatsu, D. W. Pierceti, L. Rombergt, Y. Harada and T. Yanagida, Nature, 380 (1996) 451.

11. Nhiệt năng của một phân tử gây ra bởi dao động Brown là kT [k (hằng số Boltzmann) = 1,38 x 10^-23 J/K, T (nhiệt độ môi trường) = 300 K; kT  4 x 10^-21 J]. Vì vậy khi va đập, phân tử cho ra một năng lượng va đập là 4 x 10^-21 J, một con số cực kỳ nhỏ gần như là zero trong một hệ thống vĩ mô (một chu kỳ nổ của động cơ cho một năng lượng 100 J). Trong thế giới phân tử, tình hình đổi khác! Khi động cơ phân tử kinesin di động, mỗi bước đi của phân tử cần 50 x 10^-21 J. Như vậy, năng lượng va đập của một phân tử môi trường chiếm gần 1/10 năng lượng đi động của kinesin.

12. S. Shinkai, T. Nakaji, T. Ogawa, K. Shigematsu, O. Manabe, J. Am. Chem. Soc., 103 (1981) 111.

13. A. Credi, Aust. J. Chem., 59 (2006) 157.

14. M. M. Pollard, M. Klok, D. Pijper and B. L. Feringa, Adv. Funct. Mater., 17 (2007) 718.

15. R. A. van Delden, M. K. J. Ter Wiel, M. M. Pollard, J. Vicario, N. Koumura, B. L. Feringa, Nature, 437 (2005) 1337.

16. V. Balzani, A. Credi and M. Venturi, Nano Today, 2 (April 2007) 18.

17. A. M. Brower et al, Science, 291 (2001) 2124.

18. P. R. Ashton et al, J. Am. Chem. Soc., 120 (1998) 11932.

19. V. Balzani, M. Clemente-León, A. Credi, B. Ferrer, M. Venturi, A. H. Flood and J. F. Stoddart, PNAS, 103 (2006) 1178.

20. T. J. Huang et al, Appl. Phys. Lett., 85 (2004) 5391.

21. J Berná et al, Nature Mater., 4 (2005) 704.

22. S. Saha, C.-F. Leung, T. D. Nguyen, J. F. Stoddart and J. I. Zink, Adv. Func. Mater., 17 (2007) 685.

23. A. P. H. J. Schening et al, Synth. Met., 147 (2004) 43.

24. W. R. Browne and B. L. Feringa, Nature Nanotechnology, 1 (2006) 25.

25. M. C. Petty, "Molecular Electronics – From Principles to Practice", Wiley, 2007.

26. Yu-Shiu Lo, "Molecular Mimics", May 2006 (Google search).

27. V. Balzani, A. Credi and M. Venturi, "Molecular Devices and Machines – A Journey into the Nano World", Wiley-VCH, Weinheim, 2003.

28. V. Balzani, A. Credi and M. Venturi, "Molecular Devices and Machines – Concepts and Perspective for the Nano World", Wiley-VCH, Weinheim, 2007.

29. E. R. Kay, D. A. Leigh and F. Zerbetto, Agnew. Chem. Int. Ed., 46 (2007) 72.

30. V. Balzani, G. Bergamini and P. Ceroni, Coordination Chem. Rev., 252 (2008) 2456.

31. Q. He, L. Duan, W. Qui, K. Wang, Y. Cui, X. Yan and J. Li, Adv. Mater., 20 (2008) 2933.

32. M. C. Pirrung, Agnew. Chem. Int. Ed., 41 (2002) 1276.

33. J. R. Heath and M. A. Ratner, Physics Today (May 2003) 43.

34. M. Haw, Physics World, 20 (November 2007) 25.