Giải Nobel hóa học 2016: Làm sao lắp ghép phân tử thành những cỗ máy nano?

Bộ ba nhà khoa học bao gồm Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart và Bernard L. Feringa, những người tiên phong trong việc phát triển cỗ máy nano bằng phân tử di động, đã được trao giải Nobel hóa học vào hôm thứ Tư, 5/10/2016.

“Về mức độ phát triển, động cơ phân tử hiện nay đang ở cùng giai đoạn phát triển với động cơ điện vào những năm 1830, khi các nhà khoa học trưng bày vô số mẫu tay quay và bánh xe khác nhau mà không hay biết một ngày chúng sẽ dẫn đến sự ra đời của tàu điện, máy giặt, quạt máy, và những chiếc máy chế biến thức ăn” Ủy ban Nobel Hóa học của Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển tuyên bố.

Có kích thước chỉ bằng 1/1000 sợi tóc con người, những cỗ máy nano là những phân tử được thiết kế đặc biệt với các bộ phận có thể chuyển động. Khi được cấp năng lượng, chúng có thể chuyển động có kiểm soát. Một ngày nào đó chúng có thể được sử dụng để tạo các vật liệu mới, vận hành các cảm biến siêu nhỏ và tạo ra các cơ chế lưu trữ năng lượng siêu nhỏ mà mắt thường không thể nhìn thấy được.

“Họ đã khởi động được nó,” Donna J. Nelson, giáo sư hóa học tại Đại học Oklahoma, chủ tịch của Hiệp hội Hóa học Mỹ cho biết. “Điều này mới chỉ là bước khởi đầu.”

>> Giải Nobel Y học 2016: Cơ chế ’tự thực’ của cơ thể

Giải thích cơ chế hoạt động

Bước đầu tiên để tạo ra cỗ máy phân tử là phải có bộ phận chuyển động. Các nhà hóa học từ lâu đã có thể tổng hợp các phân tử hình vòng, và họ biết rằng các vòng tròn lồng vào nhau có thể tạo ra các bộ phận chuyển động ở mức phân tử.

Năm 1983, Tiến sĩ Sauvage đã tạo ra được 2 vòng tròn phân tử lồng vào nhau, ông sử dụng ion đồng để khóa các phân tử lại với nhau bằng liên kết vật lý.

Năm 1991, Tiến sĩ Stoddart đã tạo được cấu trúc hình sợi xỏ qua vòng phân tử (ảnh dưới). 2 loại cấu trúc của ông Sauvage và Stoddard là những khối cơ bản để tạo nên cỗ máy nano sau này.

Sau đó, họ tìm một nguồn năng lượng, cả 2 nhà khoa học nói trên đều dùng năng lượng điện hóa học. Họ thêm chất oxy hóa vào để tăng electron cho hệ thống. Điện cực sinh ra sẽ làm chuyển động các vòng phân tử. (ảnh dưới)

Sau đó, 2 nhà khoa học tiếp tục tạo ra những cấu trúc phân tử mô phỏng theo cơ bắp và thậm chí một loại thang máy. Nhưng khó khăn mới xuất hiện: sau khi đã di chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác, không dễ đảo ngược lại quá trình một cách nhanh chóng. Họ có chuyển động, nhưng không phải một động cơ.

Năm 1999, Tiến sĩ Ben Feringa đã chế tạo ra những động cơ phân tử đầu tiên. Động cơ của Feringa phản ứng với ánh sáng và nhiệt độ, nó có thể chuyển động ngược và xuôi. (ảnh dưới)

Vào năm 2011, nhóm nghiên cứu của Feringa đã gắn 4 động cơ như vậy vào một khung xe phân tử, chế tạo thành công một chiếc xe hơi nano bốn bánh.

>> Giải Nobel Vật lý 2016: Lại một lý thuyết cao siêu ít ai hiểu

Tiểu sử của 3 người chiến thắng giải Nobel Hóa học 2016

Tiến sĩ Stoddart, 74 tuổi, sinh ra ở Edinburgh, nhận bằng Tiến sĩ năm 1966 tại Đại học Edinburgh, và là giáo sư hóa học tại Đại học Northwestern ở Evanston, Illinois. Trước đó, ông giảng dạy tại U.C.L.A. và đã được phong tước hiệp sĩ của Nữ hoàng Elizabeth II về những cống hiến của ông cho khoa học.

Tiến sĩ Sauvage, 71 tuổi, sinh ra ở Paris và nhận bằng tiến sĩ năm 1971 của Trường Đại học Strasbourg ở Pháp, nơi ông là giáo sư danh dự. Ông cũng là giám đốc nghiên cứu danh dự tại Trung tâm Nghiên cứu khoa học Quốc gia ở Pháp.

Tiến sĩ Feringa, 64 tuổi, sinh ra ở Barger-Compascuum, Hà Lan, nhận bằng tiến sĩ năm 1978 từ Đại học Groningen, nơi ông hiện đang làm giáo sư hóa học hữu cơ.

Ba nhà khoa học – Jean-Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart và Bernard L. Feringa – sẽ chia đều giải thưởng 8 triệu kronor Thụy Điển, tương đương khoảng 930.000 USD.