|
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 đă 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 - đă và đang dùng
các "động cơ" ở cấp phân tử trong mọi quá tŕnh sinh học để duy tŕ
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 đă 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 đă 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 th́ chúng ở hai thế giới
riêng biệt. Ngoài sự lớn nhỏ cực kỳ khác nhau, nh́n 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, th́ 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 h́nh 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 đă 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 hăy nh́n 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 v́ những động cơ phân
tử đă hiện hữu trong các đơn bào, đa bào duy tŕ 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 đă hoàn chỉnh các
động cơ phân tử sinh học đến mức độ ưu việt nếu không muốn nói là lư
tưởng. Rất mới là v́ sự phát triển của nhiều nền công nghiệp, nhất
là công nghiệp điện tử, từ lâu đă đ̣i 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 đă đề xuất một phương pháp luận mới cho việc thu nhỏ các
linh kiện điện tử và cơ khí dựa trên các mô h́nh sinh học. Cũng
không cần t́m đâu cho xa, cấu tạo sinh học của muôn loài, trong ta
và xung quanh ta, là một mô h́nh lư tưởng mà tạo hóa đă 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 tŕnh 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 h́nh sinh học.
2. Động cơ thu nhỏ
Nhớ khi c̣n bé đọc quyển đồng thoại "Guy-li-ve
phiêu lưu kư" 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 th́ làm ra những vật nhỏ, ở trong một căn nhà nhỏ
với đồ đạc nhỏ. Nó c̣n nhỏ hơn đôi đũa được làm từ cái que hay từng
cái chén làm từ hạt dẻ bổ ra, những khúc "bánh ḿ" làm từ lục b́nh
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 tṛ nhà
cḥi mà người viết chỉ được phép loanh quanh ngắm nh́n nhưng không
được tham gia! Lớn hơn một chút, người viết mải mê nh́n bác sửa đồng
hồ trước nhà với sự cảm phục khi bác nheo lại một con mắt, con mắt
kia th́ "ngoạm" lấy một kính lúp nh́n vào động cơ đồng hồ, tay dùng
cây vít, cây nhíp nhỏ lấy ra từng bộ phận tí hon nào là ḷ 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 ḷ xo thật mỏng và nhỏ, từ tốn
giải thích; khi lên giây cái ḷ xo co lại, rồi nó từ từ dăn 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 đă kích thích
sự ṭ ṃ của người viết trong một quăng 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 đă mở màn cuộc cách mạng công
nghiệp cuối thế kỷ 18, tạo một bước ngoặt lớn trong lịch sử nhân
loại và đă làm thay đổi toàn diện đời sống kinh tế và xă 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 đă 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 v́ cơ tính và lư tính của vật liệu không cho phép và
một phần v́ 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 đă 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 đă 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 đă 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" (H́nh 1).

H́nh 1: MEMS có một cấu trúc thu nhỏ của
những bộ phận điện tử và cơ. Đây là bánh cóc dẫn động quay một
chiều (unidirectional ratcheting actuator). Chiều dài gạch trắng
trong h́nh là 100 µm; đường kính toàn thể của bánh cóc là 1 mm (Nguồn:
http://mems.sandia.gov).
Những vật dụng của người tí hon trong "Guy-li-ve
phiêu lưu kư" hay h́nh ảnh của Tôn Ngộ Không thu nhỏ đi vào mũi
miệng của kẻ ác để thăm ḍ, nghe ngóng không c̣n 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 ṃn laser (laser ablation), khắc ṃn
hóa (chemical etching) hay litô quang (photolithography). Người viết
cũng đă có kinh nghiệm khắc ṃn 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 pḥng 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 pḥng (printer) được
trang bị MEMS để điều chỉnh lượng mực ở mức chính xác nano lít (10-9
lít). Trong vật lư, MEMS được gắn vào đầu ḍ 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 ư 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 th́ những ứng dụng thực tiễn
của MEMS mới bắt đầu xuất hiện.
Trong suy nghĩ của ḿnh, Feynman đă phác thảo một
ư 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 ư 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 ḿnh. Ư 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 ph́ 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 ư tưởng của
Feynman hay Drexler chỉ thuần túy dựa trên tư duy của một nhà vật lư
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 c̣n
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 ḍ 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 lư hạch nhân nổi tiếng ở đầu thế kỷ 20,
Ernest Rutherford, có lần phát biểu "Tất cả mọi khoa học là vật
lư 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 lư đương thời đối với những lĩnh
vực khác và cũng đă gây phản cảm không ít đến các đồng nghiệp nghiên
cứu sinh học hay hóa học. Cho măi đến thập niên 50 của thế kỷ trước,
thái độ của các nhà vật lư 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 đă có những nhà nghiên cứu
vật lư sớm ư 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 tŕnh sóng nổi tiếng tiên đoán sự
tồn tại các vi hạt của thế giới nguyên tử, sinh học đă hấp dẫn
Schrödinger và ông đă mang kiến thức vật lư của ḿnh để lư giải các
hiện tượng sinh học mà khi chỉ nh́n sơ bộ người ta có thể lầm tưởng
như đi ngược lại các quy luật vật lư. Sự khám phá cấu trúc xoắn kép
phân tử DNA của hai nhà vật lư 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 đă liên quan rất nhiều về các mô
h́nh 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 lư ứng dụng), ngành sinh học hoàn toàn đổi dạng. Nó đă thoát
xác từ việc "sưu tầm tem" mà Rutherford có ư 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 t́m hiểu những cơ chế sinh học. Sinh học ngày nay đă lần
lượt giải mă 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 đă 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 đă từng mơ ước muốn bay cao như chim, bơi lặn
như ḱnh ngư, chạy nhanh như hổ báo. Những điều này đă thúc giục con
người làm nên những cỗ máy tuyệt vời, biến giấc mơ thành hiện thực.
Bước vào thế kỷ 21, chưa thỏa măn với việc bắt chước phiến diện bề
ngoài, con người tiếp tục t́m 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 ư của các nhà vật lư, vật liệu học và hóa học trong
việc mô phỏng các sản phẩm của tạo hóa.
Thiên nhiên đă 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 đă 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 tŕ sự sống như chuyển hóa (metabolism), phục chế các
mă 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 tŕ bởi
protein. Chẳng hạn, enzyme là protein có chức năng xúc tác cho các
phản ứng sinh học của mọi quá tŕnh 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 dăn 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 c̣n cống hiến những mô h́nh 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 ư đến các nhà nghiên cứu động cơ phân tử là adenosine
triphosphate (ATP) synthase (synthase: enzyme tổng hợp, viết tắt
ATPase) (H́nh 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 tṛn. 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.

H́nh 2: Động cơ phân tử sinh học APTase
ATPase có kích thước 20 -100 nm và gồm hai phần:
Fo và F1. Fo có h́nh giống bánh xe nước, là bộ phận quay gắn vào
màng ti thể (mitochondrion) trong tế bào [6] và F1 có h́nh cây nấm.
Trong quá tŕnh tổng hợp ATP, Fo quay tṛn với tần số 100 Hz (100
ṿng/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 tŕnh 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 dăn 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 tŕ sự sống.
Trong những hoạt động này, ATP phóng thích năng lượng và biến thành
ADP.
ATP
ADP
+ năng lượng
Như ta thấy trong H́nh 2, cấu trúc của ATPase là
một hệ thống vô cùng phức tạp và cho ta một mô h́nh thật hoàn chỉnh
của một động cơ quay. Trong khi ư tưởng thu nhỏ của Feynman và
Drexler hầu như bất khả thi trước những giới hạn được định sẵn bởi
các quy luật vật lư, 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 lư tưởng có thể lắp ráp tạo nên
một động cơ phân tử theo đúng tinh thần của phương pháp "từ dưới lên".
Chúng ta hăy xem các nhà hóa học đă 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 đă "bốc ra" từ cái nón "thần bí"
của ḿnh hàng trăm triệu hợp chất với những đặc tính khác nhau và vô
số cấu trúc phân tử. Không ai hiểu rơ 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 đă đưa hóa học vào một lĩnh vực mới nhiều thử thách. Phương
pháp "từ trên xuống" như ta đă 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 nh́n đến sinh học để t́m kiếm những mô h́nh thích hợp v́ 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" đă 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 h́nh trung đă 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 tŕnh duy tŕ sự sống, th́ nhà hóa học bằng ḷng 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 ḿnh.
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 (H́nh
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. V́ 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 tṛn. Khi có sự di chuyển của
những bộ phận, ta thấy ngay bóng dáng của một động cơ. H́nh 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 ṿng trong một cấu trúc ṿng (H́nh 4), hay một cấu trúc
dây xuyên qua một cấu trúc ṿng (H́nh 5).

H́nh 3: Quá tŕnh 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.

H́nh 4: Cấu trúc siêu phân tử của một phức
chất kim loại (metal complex): một cấu trúc ṿng (phân tử 1)
trong một cấu trúc ṿng (phân tử 2) mà trung tâm là nguyên tử
kim loại (Nguồn: Wikipedia). |

H́nh 5: Một cấu trúc dây (phân tử 1) xuyên
qua một cấu trúc ṿng (phân tử 2) như sợi chỉ và lỗ cây kim (Nguồn:
Wikipedia).
|
Thật ra, trong hàng chục, trăm triệu hợp chất hóa
học được tổng hợp vài trăm năm qua, đâu đó đă xuất hiện các siêu
phân tử. Các siêu phân tử đơn sơ đầu tiên gây sự chú ư có lẽ v́ vẻ
đẹp lập thể phân tử hơn là tiềm năng áp dụng của chúng. Tuy nhiên,
hai mươi năm gần đây công nghệ nano đă 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 lư, 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
đă 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 c̣n 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
b́nh 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 c̣n là vấn
đề, nhưng v́ 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 đă 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 lư tưởng trên quan điểm công nghệ
xanh. Chất thải nhà kính carbon dioxide (CO2) phần lớn đi
từ máy nổ đă làm thay đổi khí hậu toàn cầu và đang làm "ngạt" địa
cầu. Động cơ phân tử phải hoạt động ở một nhiệt độ b́nh 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 pḥng thí nghiệm nhiều lúc đ̣i 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 b́nh 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 b́nh
thường của áp suất và nhiệt độ của môi trường xung quanh. V́ 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. Hăy tưởng tượng một người đi trong mưa gió. Mưa ở đây là trận
mưa đá bị giông băo thổi không theo một phương hướng nhất định.
Người đi lúc th́ bị gió thổi về phía trước, lúc th́ bị giật ngược về
phía sau, anh ta phải bỏ nhiều công sức chống chọi với mưa băo 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 h́nh 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 h́nh 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 nh́n thấy kinesin
đương đầu trước những "trận băo" 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", đă 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 tŕ tiến về một hướng
nhất định.
Để có một suy nghĩ định lượng, ta hăy nh́n 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 băo" Brown thành
sự kiện của thế giới đời thường th́ 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 th́ 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 th́ sẽ không có một protein
nào làm tṛn nhiệm vụ mà cơ thể đă 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
măn công việc của ḿnh. Như vậy, làm sao kinesin hay những động cơ
protein khác có thể hoạt động trong "băo tố"? Như các vơ sĩ Aikido (Hiệp
khí đạo), thay v́ cưỡng chống lại sự tấn công của đối phương, anh ta
dùng những thế vơ biến sức của địch thành sức của ḿnh rồi kiềm chế
ngược lại. Rơ ràng kinesin là một anh vơ sĩ Aikido tài ba, có cơ chế
"bánh cóc" (ratchet) đi một chiều, nhận năng lượng hỗn loạn từ những
cơn băo Brown rồi biến thành năng lượng của ḿnh và đi tới theo một
hướng định sẵn (H́nh 6). Tuy cơ chế "bánh cóc" trong động cơ phân tử
sinh học vẫn c̣n nhiều bí ẩn chưa có câu trả lời rơ ràng, nhưng nó
cho ta một mô thức để h́nh thành các động cơ phân tử nhân tạo.

H́nh 6: Bánh cóc có hai bộ phận (a): cây chốt và (b): bánh xe. V́
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 lư căn bản trong hóa
hữu cơ như sự đồng phân (isomerization) và biến dạng lập thể
(conformation). Dựa trên cấu trúc h́nh 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...) th́ 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 → ... [H́nh 7]

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

H́nh 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 (H́nh 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) đă
tổng hợp một hợp chất đối xứng mang hai mảnh (H́nh 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 tŕnh
bày trong H́nh 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 ṿng 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.

H́nh 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)
H́nh 10: Thay đổi cấu trúc phân tử để nâng
cao những đặc tính. Cấu trúc (a) quay 44 ṿng/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 ṿng sáu
góc bằng cấu trúc năm góc (H́nh 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 ṿng quay 44 ṿng/giây
(hay là 44 Hz). Từ động cơ "đời thứ nhất" (năm 1999) chỉ trong ṿng
5 năm, nhóm nghiên cứu này đă 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 H́nh 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 măn với cơ chế này. Hoá học siêu phân tử đă 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] (H́nh 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 ṿng 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 ṿng 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 ṿng cũng có thể được thiết kế để xoay
quanh trục. Catenane gồm hai ṿng: một ṿng cố định và một ṿng 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 h́nh 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.
H́nh 11: H́nh minh họa rotaxane và
catenane (a): Cái ṿng của rotaxane di động tịnh tiến qua lại
như con thoi; (b): Cái ṿng rotaxane quay quanh tại một điểm và
(c): Hai ṿng của catenane, một ṿng quay, một ṿng cố định. |
Một thí dụ của rotaxane là siêu phân tử trong đó
cái trục có hai trạm dừng [18]. Cái ṿng đi tới lui giữa hai trạm
qua sự tiếp xúc với acid hay bazơ trong dung dịch (biến đổi pH) (H́nh
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.

H́nh 12: (a): Cấu trúc siêu hóa học của phân tử rotaxane và (b)
(c): h́nh 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 ṿng
dừng ở trạm thứ nhất ta có trạng thái "đóng" (hay là 0), ở trạm thứ
hai, trạng thái "mở" (hay là 1). V́ 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 ḥn núi cao", tạo ra những biến
chuyển vĩ mô thích hợp cho từng ứng dụng. Ta hăy xem vài thí dụ sau.
Huang và các cộng sự [20] đă 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 ṿng gắn vào bề mặt silicon (H́nh 13). Khi rotaxane tiếp xúc
với dung dịch oxid hóa (oxidant), hai ṿng 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 (H́nh 14). Khi tiếp xúc với dung dịch khử
(reductant), hai ṿng 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 dăn cơ bắp.

H́nh 13: Siêu phân tử rotaxane với 2 cặp
trạm (1-2-2-1) đối xứng và hai cái ṿng (con thoi) được liên kết
với bề mặt silicon. |
 H́nh 14: Hai cái ṿng di chuyển cùng lúc
từ trạm 1 đến trạm 2 làm bề mặt cong lên 35 nm (h́nh phải) và
khi từ trạm 2 trở lại trạm 1 làm bề mặt thẳng lại (h́nh 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 đă tổng hợp cái trục rotaxane
có hai trạm: trạm 1 mang nhóm ghét nước và trạm 2 mang nhóm thích
nước. Khi cái ṿng 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]
đă 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 ṿng 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 dăn ra
và đi về phía trước như con giun ḅ trên mặt đất. Cứ như thế, giọt
chất lỏng có thể "ḅ" trên một mặt phẳng nghiêng 12° (H́nh 15).

H́nh 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 b́nh nano chứa phân
tử sẽ được phóng thích. Các rotaxane có tác dụng như cái van nano.
Khi không bị kích hoạt cái ṿng của rotaxane nằm trên trục có tác
dụng đóng b́nh. Khi dùng ánh sáng kích hoạt, cái ṿng sẽ tuột ra làm
van mở khiến các phân tử tuôn ra ngoài b́nh. 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 đă được tŕnh bày tỉ mỉ trong bài báo cáo
đă 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 tŕnh 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 c̣n
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 tŕnh 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
ṿng) dừng ở các trạm khác nhau. Như đă đề cập bên trên, ta có sự
điều biến nhị phân (đóng/mở hay 0/1) trong cấu trúc của rotaxane (H́nh
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 h́nh
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 rơ 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 tŕnh siêu phân tử, nghiên cứu về động cơ nano và dụng cụ
phân tử bùng phát. Những thành quả trong hai mươi năm qua đă 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 đă 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 ǵ?”. 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 đă 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 nh́n vào cơ thể của chính
ḿnh và quan sát sự hài ḥa của cảnh vật quanh ta. Qua một thời gian
rất dài của hàng tỷ năm, sự tiến hóa đă điều chỉnh và tiếp tục hoàn
chỉnh các động cơ phân tử để hoàn thiện các quá tŕnh 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 đă 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 c̣n một nhận xét thú vị khác. Nền công
nghiệp "từ trên xuống" của thế kỷ 20 đă 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 h́nh 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 b́nh 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" đă
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 h́nh 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. Hăy tưởng tượng chiếc tàu ngầm nano dưới sự điểu khiển của con
người có thể chạy tới lui trong huyết quản, t́m 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 c̣n 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 đă chế tạo, hoàn thiện và hiểu rất rơ những
động cơ vĩ mô. Tiếc rằng, động cơ phân tử không phải là một h́nh ảnh
thu nhỏ của động cơ vĩ mô và những nguyên lư 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 ngơ cụt hay là đang lọt vào địa đàng c̣n mờ mịt khói sương? Dù
là ngơ cụt hay địa đàng, sự tưởng tượng của con người lúc nào cũng
cho ta một bước nhảy lượng tử vượt qua khó khăn.
Hăy b́nh 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, th́ ta phải bằng ḷng với khả năng của ḿnh, 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 đă tạo ra
những chất xúc tác tuy không phức tạp như phân tử enzyme nhưng cũng
đă làm được những đột phá trong công nghiệp dầu hỏa, polymer, dược
liệu, sản xuất ra những thương phẩm giá trị.
Như đă được tŕnh 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 ḥa 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 lư thuyết dẫn đường?
Cũng như các ngành khoa học thực dụng khác, sự
phát triển của động cơ phân tử cần một lư 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 lư cung cấp những lư thuyết chỉ đạo. Nhưng lư thuyết nào?
Nhiệt động học, cơ học thống kê (statistical mechanics) hay cơ học
lượng tử? V́ chưa có một lư thuyết chỉ đạo, ta chưa định lượng được
năng suất của động cơ phân tử. Ta cũng c̣n mờ mịt chưa biết phân tử
sinh học đă lợi dụng năng lượng của những "trận băo" Brown theo một
cơ chế nào. Khi những điều hiểu biết cơ bản này chưa được đáp ứng
thỏa măn th́ 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 đă 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 đă 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 lư
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 lư thuyết chỉ đạo con người vẫn mày ṃ mô phỏng những ưu
điểm của thiên nhiên và đồng thời phát huy kinh nghiệm cơ khí đă có
từ hàng trăm năm qua. Tuy việc nghiên cứu và triển khai của động cơ
phân tử vẫn c̣n trong thời kỳ phôi thai, phải công nhận rằng chỉ
trong ṿng vài thập niên, nghiên cứu trong lĩnh vực này đă đi một
bước dài và đem đến những thành quả đáng tự hào cho trí tuệ loài
người.
10. Lời kết
Một ư nghĩ buồn cười bỗng chợt đến khi tác giả
viết những ḍng kết luận này. Mẹ thiên nhiên đă khởi hành trước ta
những 4 tỷ năm. Nếu quay ngược ḍng thời gian trở lại khởi điểm 4 tỷ
năm trước, trong ṿng 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 xuưt
xoa trầm trồ khi nh́n 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 đă chăm chút tạo ra vẻ đẹp tận mỹ của
phân tử như động cơ xoay tṛn APTase, động cơ hai chân kinesin, hay
thán phục cái trực cảm của các nhà hóa học đă 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 cḥi xưa kia, người viết cảm thấy một cái ǵ 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
-
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".
-
Richard P. Feynman, "There's plenty of room
at the bottom" (Google search).
-
S. A. Edwards, "The Nanotech Pioneers –
Where Are They Taking Us?", Wiley-VCH, Weinheim, 2006.
-
Chuyển động được nhà thực vật học Robert Brown
quan sát đầu tiên vào thế kỷ thứ 19. Dưới ống kính hiển vi, Brown
nh́n 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 lư luận động học của phân tử (molecular
kinetics) Einstein đă 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. H́nh 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. V́ vậy, nhiệt độ càng cao th́ 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.
-
Các giáo sư Osamu Shimomura, Martin Chalfie,
Roger Y. Tsien đồng đoạt giải Nobel Hóa học 2008 cho công tŕnh
protein phát quang.
-
Ti thể (mitochondrion) là những bào quan h́nh
bầu dục dài khoảng 2 m, đường kính 0,5 m. Mỗi tế bào chứa hàng
ngh́n ti thể (theo Lê Đức Tŕnh, "Sinh học phân tử của tế bào",
Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2001).
-
J. D. Madden, Science, 318
(2007) 1094.
-
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).
-
R. D. Astumian, Scientific American,
July 2001, 57.
-
R. D. Vale, T. Funatsu, D. W. Pierceti, L.
Rombergt, Y. Harada and T. Yanagida, Nature, 380
(1996) 451.
-
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]. V́ 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, t́nh h́nh 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.
-
S. Shinkai, T. Nakaji, T. Ogawa, K. Shigematsu,
O. Manabe, J. Am. Chem. Soc., 103 (1981) 111.
-
A. Credi, Aust. J. Chem., 59
(2006) 157.
-
M. M. Pollard, M. Klok, D. Pijper and B. L.
Feringa, Adv. Funct. Mater., 17 (2007) 718.
-
R. A. van Delden, M. K. J. Ter Wiel, M. M.
Pollard, J. Vicario, N. Koumura, B. L. Feringa, Nature,
437 (2005) 1337.
-
V. Balzani, A. Credi and M. Venturi, Nano
Today, 2 (April 2007) 18.
-
A. M. Brower et al, Science, 291
(2001) 2124.
-
P. R. Ashton et al, J. Am. Chem. Soc.,
120 (1998) 11932.
-
V. Balzani, M. Clemente-León, A. Credi, B.
Ferrer, M. Venturi, A. H. Flood and J. F. Stoddart, PNAS,
103 (2006) 1178.
-
T. J. Huang et al, Appl. Phys. Lett.,
85 (2004) 5391.
-
J Berná et al, Nature Mater., 4
(2005) 704.
-
S. Saha, C.-F. Leung, T. D. Nguyen, J. F.
Stoddart and J. I. Zink, Adv. Func. Mater., 17
(2007) 685.
-
A. P. H. J. Schening et al, Synth. Met.,
147 (2004) 43.
-
W. R. Browne and B. L. Feringa, Nature
Nanotechnology, 1 (2006) 25.
-
M. C. Petty, "Molecular Electronics – From
Principles to Practice", Wiley, 2007.
-
Yu-Shiu Lo, "Molecular Mimics", May 2006 (Google
search).
-
V. Balzani, A. Credi and M. Venturi,
"Molecular Devices and Machines – A Journey into the Nano World",
Wiley-VCH, Weinheim, 2003.
-
V. Balzani, A. Credi and M. Venturi,
"Molecular Devices and Machines – Concepts and Perspective for the
Nano World", Wiley-VCH, Weinheim, 2007.
-
E. R. Kay, D. A. Leigh and F. Zerbetto,
Agnew. Chem. Int. Ed., 46 (2007) 72.
-
V. Balzani, G. Bergamini and P. Ceroni,
Coordination Chem. Rev., 252 (2008) 2456.
-
Q. He, L. Duan, W. Qui, K. Wang, Y. Cui, X. Yan
and J. Li, Adv. Mater., 20 (2008) 2933.
-
M. C. Pirrung, Agnew. Chem. Int. Ed.,
41 (2002) 1276.
-
J. R. Heath and M. A. Ratner, Physics Today
(May 2003) 43.
-
M. Haw, Physics World, 20
(November 2007) 25.
|
|