Mô phỏng sinh học: Biến phân tử thành động cơ

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 sấy tóc v.v... xuất hiện như một hệ quả đương nhiên.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô phỏng sinh học: Biến phân tử thành động cơ Mô phỏng sinh học: Biến phân tử thành động cơ* 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 sấy 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 Gulliver phiêu lưu ký đến đoạn Gulliver 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 ...