Tạp hóa - Xã hội

Nobel Hóa học 2016: lời đáp trả của hóa học18. 10. 16 - 9:42 pm

Hieniemic

Bài giảng “Còn nhiều chỗ trống ở phía dưới” của nhà vật lý Richard Feynman năm 1959 luôn được gắn liền với công nghệ nano hiện đại, theo một kiểu liên hệ dưới dạng ký ức cộng đồng. Trong bài giảng của mình, Feynman gợi ý về việc dùng các công cụ vật lý để thao tác trên từng nguyên tử, lắp ghép các nguyên tử lại thành các cấu trúc siêu nhỏ ở kích cỡ nano. Ở quy mô nano, chúng ta có thể áp dụng các cấu trúc này để làm nhiều việc. Bài giảng của Feynman không trực tiếp khai sinh ra ngành công nghệ nano (1960 vẫn còn sớm quá), nhưng nó đóng vai trò “tiên tri như kiểu Roger Bacon và Nostradamus thời Trung cổ” ^[1] về những diễn biến của khoa học sau đó ba thập kỷ.

Richard Feynman, một trong những nhà vật lý hàng đầu thế kỷ 20.

Bài giảng của Feynman được nhiều người nhìn nhận là một kiểu kinh điển truyền cảm hứng cho ngành nano. Tuy nhiên, vẫn có một quan điểm của Feynman hay được mang ra mổ xẻ. Feynman đặt trọng tâm của nguyên lý chế tạo nano vào một điểm: cái thấy – HỄ TÔI THẤY ĐƯỢC, THÌ TÔI LÀM ĐƯỢC. Nếu tôi làm được một cái kính hiển vi siêu nhỏ và siêu tốt, tôi sẽ thấy được cấu trúc phân tử. Nếu tôi thấy được, hầu hết các câu hỏi nền tảng của sinh học sẽ được giải đáp. Nếu tôi thấy được, tôi sẽ biết ngay phân tử đó là gì, không cần phải phân tích rắc rối. Nếu tôi thấy được, (có lẽ) tôi sẽ lắp ghép từng nguyên tử một lại với nhau thành một phân tử phức tạp, từ đó, tôi sẽ không cần hóa học nữa. Chữ “có lẽ” đó, đến nay (có lẽ) vẫn là một chữ lớn nhất. Khi Feynman nói câu này, trong đầu ông, việc lắp ghép phân tử giống như một anh thợ xây nhà, cặm cụi xếp từng viên gạch, chứ không phải công việc của những nghệ nhân. Ông chưa hình dung được hóa học sẽ phát triển vũ bão tới mức nào vào cuối thế kỷ 20, khi hàng loạt người khổng lồ xuất hiện, nghĩ ra bao nhiêu là tuyệt chiêu để lắp ghép các phân tử lại với nhau, các lab hóa học hùng hậu chạy đua để tổng hợp ra một loạt các chất cực kỳ phức tạp và gây chấn động.

*

Giải Nobel 2016 vinh danh 3 nhà hóa học người châu Âu: Sauvage (Pháp), Stoddart (Scotland) và Feringa (Hà Lan), vì đã mở đường cho một ngành nghiên cứu mới về các động cơ phân tử (hoặc “cỗ máy” phân tử, nếu đọc báo mấy ngày nay chúng ta đã biết). Những động cơ phân tử này KHÔNG phải là động cơ cơ học quen thuộc, được thu nhỏ xuống mức tí hon, mà là những vật thể ở cấp độ cơ bản hơn nhiều lần: Chúng là những phân tử đơn lẻ, được thiết kế rất thông minh.

Để một “động cơ” có ích, nó phải có các cấu phần có thể chuyển động độc lập với nhau. Chuyển động có thể là xoay (như mô tơ cánh quạt) hay tịnh tiến (chạy lên chạy xuống, như piston trong động cơ xe). Chuyển động này phải điều khiển được, và phải theo một hướng nhất định.

Các nhà hóa học là những bậc thầy trong việc “chế tạo” ra chất mới, bằng cách tạo ra các liên kết hóa học, nối kết các nguyên tử và phân tử lại với nhau. Trong các phân tử hữu cơ, liên kết chủ yếu được tạo ra bằng cách các nguyên tử chia sẻ điện tử cho nhau. Những điện tử “chia sẻ” này nối những nguyên tử với nhau, gọi là liên kết cộng hóa trị. Thông qua các liên kết này, các phần của phân tử có thể xoay và rung được (như ta đã nói ở bài Hóa học thường thức về nhiệt), nhưng các chuyển động này diễn ra khá lung tung, và hay bị giới hạn. Một động cơ phân tử không thể dùng những cầu nối rung lắc lung tung không theo một trật tự nào. Chúng ta sẽ cùng xem các nhà hóa học đã giải quyết vấn đề này như thế nào.

LIÊN KẾT CƠ HỌC TRONG PHÂN TỬ HÓA HỌC

1. Cách Sauvage tạo ra phân tử xích

Chi tiết từ tranh Vulcan xiềng Prometheus vì tội trộm lửa (Dirck van Baburen, bảo tàng Rijks Amsterdam).

Để tạo một “động cơ” phân tử, như đã nói ở trên, nó phải có ít nhất là hai cấu phần, có thể chuyển động độc lập với nhau, nhưng phải móc nối dính liền với nhau theo một cách nào đó thật mới. Ý tưởng đến từ các nghiên cứu về việc móc nối hai vòng đại phân tử vào nhau như kiểu sợi xích. Các nhà hóa học hữu cơ đã bước đầu làm ra những phân tử này từ thập niên 1960 ^[2]. Nhìn hình bên dưới, bạn có thể hình dung thời kỳ đầu, cách các nhà hóa học làm là làm sẵn một vòng (ví dụ vòng đỏ), sau đó luồn sợi dây màu xanh qua, rồi đóng vòng lại. Đây là một phương pháp cực kỳ hên xui, đơn giản là vì chúng ta không kiểm soát được làm sao cái sợi màu xanh có thể chui được qua vòng đỏ một khi chúng ta trộn hóa chất lại với nhau. Đến năm 1983, phòng thí nghiệm của Jean-Pierre Sauvage ở ĐH Strasbourg (Pháp) đã sáng tạo khi dùng ion đồng để phối trí (mở ngoặc: dán cố định) hai phần xanh đỏ, từ đó giúp việc đóng vòng dễ dàng và có hiệu suất cao hơn.

.

Cấu trúc tinh thể một phân tử xích (catenane, từ chữ catena Latin nghĩa là dây xích) của Sauvage (trái) ^[3] và công thức hóa học đầy đủ (phải) ^[4]

Như vậy, ta đã có hai vòng móc nối vào nhau, không thể rời (trừ khi cố tình bẻ mất một vòng), nhưng vẫn có thể chuyển động tương đối so với nhau. Đây là một kiểu liên kết mới giữa các phân tử, được gọi là liên kết cơ học. Nguyên tử đồng đóng vai trò không chỉ làm keo dán mà còn giúp làm xoay vòng. Thay vì dùng 2 vòng y hệt nhau, nhóm của Sauvage đã gắn các mấu nitơ vào hai bên của vòng xanh (một bên 2 mấu, một bên 3 mấu). Khi cho dùng phản ứng oxy hóa khử (tức cho electron chạy quanh) để biến thay đổi độ dương điện của ion đồng, thay vì gắn với 2 mấu nitơ của vòng xanh, nay Cu(²⁺) sẽ muốn gắn với 3 nitơ, nên vòng xanh sẽ xoay đầu 3 mấu nitơ sang phía đồng. Từ đó, nếu thay đổi qua lại giữa Cu+ và Cu(²⁺), ta sẽ làm cho vòng xanh xoay quanh vòng đỏ.

Sauvage gắn cho vòng xanh một bên có 3 mấu nitơ, một bên 2 mấu. Bằng cách dùng điện hóa, cho electron chạy quanh (tức phản ứng oxy hóa khử), để thay đổi độ dương điện của ion đồng, với đồng Cu(2+) thích bám với 3 mấu nitơ của vòng xanh, ta có thể làm xoay vòng.

Jean-Pierre Sauvage sau khi nhận được tin mình thắng giải Nobel 2016. (VINCENT KESSLER / Reuters)

Feynman mặc áo hồng quần đùi kaki đi chân đất giảng bài về “cỗ máy nano” trên lý thuyết năm 1984, ở khu Esalen hippie. Lúc này có lẽ ông chưa biết rằng năm 1983, Sauvage đã bước đầu biến ý tưởng này thành hiện thực. Video có thể xem tại đây

2. Phân tử quả tạ của Stoddart

Tranh khảm cô gái cầm tạ ở Villa Romana del Casale, La Mã.

Vào nửa sau thập kỷ 1980, phòng thí nghiệm của Stoddart ở ĐH Sheffield (Anh) tổng hợp được kiểu liên kết cơ học thứ hai: “phân tử quả tạ” (rotaxane). Phân tử này có hình dạng gợi tới quả tạ tay mà cô gái trong hình khảm ở trên đang cầm, với một phân tử đại vòng nằm giữa, như trong ảnh dưới:

Minh họa cho phân tử quả tạ (phải) ^[5] và cấu trúc hóa học thật của một loại phân tử quả tạ do nhóm Stoddart làm (trái) ^[6].

Cách tổng hợp ra các phân tử quả tạ cũng rất sáng tạo, và có nhiều cách làm. Chúng ta có thể quấn cái vòng quanh trục trước, sau đó bịt hai đầu chốt lại. Ta cũng có thể tăng nhiệt độ để tìm cách xỏ vòng vào thẳng trong trục, sau đó là nguội xuống, thì vòng sẽ kẹt trong đó, không chui ra được. Ta cũng có thể bẻ trục làm đôi, và gắn một cái “mấu” kim loại vào vòng, để móc cả hai nữa trục với vòng, rồi gắn lại. Nói chung là diễn giải nôm na như vậy nhưng phần này khá chuyên môn, nên có lẽ không cần đi sâu.

Có khá nhiều cách để kích thích cho vòng chuyển động trên trục. Ta có thể dùng dòng điện (oxy hóa-khử) như với phân tử sợi xích, hoặc dùng hóa chất để thay đổi độ pH (ta có thể xem đoạn phim này của wikipedia minh họa)

Trong lúc đó, dĩ nhiên nhóm của Sauvage (ở Pháp) không ngồi chơi. Sauvage cũng hợp tác với Stoddart để phát triển nghiên cứu của cả hai nhóm. Tới cuối thế kỷ 20, nhóm Sauvage cho ra lò một phân tử theo kiểu nút thắt, kết hợp giữa sợi xích và quả tạ (hình dưới luôn nhé). Phân tử này có thể co duỗi, nhái lại kiểu vận động của cơ bắp sinh học.

Phân tử nút thắt của Sauvage, kết hợp kiểu phân tử sợi xích và phân tử quả tạ. Có thể co duỗi, như cơ bắp sinh học. Hình trên từ đây. Hình dưới từ Thông cáo báo chí của giải Nobel ^[6]

Fraser Stoddart, nhà hóa học Scotland (đã được Anh phong Hiệp sĩ), nay đang làm ở Mỹ.

3. Mô tơ phân tử của Feringa

Feringa (Hà Lan, ĐH Groningen) đến với động cơ phân tử bằng một hướng tiếp cận khác, không dùng liên kết cơ học để móc nối các cấu phần lại với nhau, mà ông đánh trực diện vào khả năng quay của phân tử quanh nối cộng hóa trị tạo bằng các điện tử.

Ben Feringa, nhà hóa học người Hà Lan.

Ở thế giới cực nhỏ, vật chất chuyển động cực kì hỗn loạn. Bạn có thể tưởng tượng bước đi trong đó giống như đi giữa sa mạc trong ngày bão nổi. Các hạt vật chất liên tục va đập, rung lắc, bay nhảy lung tung vào nhau, và chúng ta không có cách gì chế ngự hoàn toàn sự hỗn loạn. Để biến các chuyển động thành có ích, chúng ta có thể tìm cách kìm hãm nó, chỉ chọn ra các chuyển động có ích để dùng, cách này có một số nhóm nghiên cứu đang áp dụng vào việc phát triển các phân tử xích và phân tử tạ.

Nhóm nghiên cứu của Feringa chọn hướng thiết kế lại phân tử để nó có thể quay theo một hướng cố định khi được kích thích. Chúng ta đã biết ánh sáng có khả năng làm “xoay” nối đôi giữa hai phân tử cacbon. Ví dụ điển hình nhất là phân tử retinal trong các tế bào mắt (hình dưới). Khi có ánh sáng tác động vào các phân tử này, vị trí tương đối của nối đôi cacbon-cacbon sẽ thay đổi (ta thấy dường như phân tử xoay theo trục màu đỏ)

Ánh sáng tác động vào phân tử retinal (ở mắt) sẽ khiến cho phân tử “xoay” theo trục màu đỏ. ^[7]

Thế nhưng, chúng ta không dùng retinal ở mắt hay các phân tử tương tự để làm “động cơ”, vì chúng quay rất lung tung, không theo một hướng cố định. Nhóm Feringa thiết kế lại các động cơ, để cho chúng phải mang cấu trúc bất đối xứng. Khi bất đối xứng, thì một hướng xoay sẽ có lợi thế hơn với hướng còn lại.

Đến đây là lúc hóa hữu cơ cao cấp thể hiện vai trò của mình. Từ nãy tới giờ, để tạo ra các phân tử xích, phân tử tạ, chúng ta đều phải dùng các phản ứng hóa học. Các phản ứng này tuy đều vô cùng sáng tạo, tuy không dễ làm, nhưng chúng là những phản ứng quen thuộc với các nhà hóa học. Còn tổng hợp chất hóa học bất đối xứng thì lại là một mỏ vàng mới, nơi mà vào cuối thế kỷ 20 dấy lên một cuộc tìm vàng trong ngành hóa học (nhất là để tạo ra những phân tử thuốc chữa bệnh). Tính đối xứng là tối quan trọng khi xem xét cấu trúc trong không gian 3 chiều của phân tử: khi tổng hợp phân tử, nếu không kiểm soát được tính đối xứng, chúng ta sẽ tạo ra những phiên bản là hình ảnh gương soi của nhau (ví dụ như hai bàn tay trái và phải là ảnh đối xứng gương của nhau). Một phân tử có thể chữa được bệnh, còn hình ảnh gương soi của nó có thể gây hại.

Ảnh bìa minh họa cho bài viết nói về cuộc “tìm vàng” của ngành tổng hợp bất đối xứng, đăng trên tập san chuyên ngành Angewandte Chemie.

Quay trở lại với Feringa, ông cho gắn rất nhiều nhóm lên hai đầu của nối đôi, khiến cho cái nối phẳng này bị xoắn lại. Kết hợp với sự bất đối xứng, khi cho ánh sáng (tia cực tím) vào, phân tử sẽ xoay theo một chiều.

Mô tơ phân tử của Feringa ^[8]

Các động cơ này đã được nhóm Feringa trộn vào một bề mặt tinh thể lỏng, và khi kích thích bằng ánh sáng cực tím phân cực, chúng có thể làm xoay được một thanh trụ thủy tinh có kích thước lớn gấp 1 vạn lần các mô tơ này.

Mô tơ phân tử làm quay thanh trụ thủy tinh. ^[9]

4. Lời đáp trả của Hóa học

“Tôi có cảm giác hơi giống anh em nhà Wright, lúc họ bay lần đầu tiên, và người ta hỏi: Chúng ta cần máy bay để làm gì?”

(Ben Feringa, nói lúc họp báo công bố giải Nobel)

Câu chuyện về động cơ phân tử (chạy bằng điện tử, nhiệt, ánh sáng hoặc hóa chất) bắt đầu từ cách đây hơn 20 năm, và không chỉ gói gọn trong những thông tin kể trên. Các nhà khoa học vẫn ngày ngày đến phòng thí nghiệm, và vẫn còn nhiều thứ chưa được kể ở đây, thậm chí, chưa được đăng tải ở bất kỳ đâu. Các nghiên cứu về động cơ phân tử hiện vẫn đang là nghiên cứu khoa học cơ bản, chúng ta chưa có cụ thể những ứng dụng rõ nét. Thông qua các nghiên cứu này, chúng ta tới gần hơn với việc tái tạo các cỗ máy của tự nhiên, trong các tế bào, trong vi khuẩn…, đã liên tục được vận hành và cải tiến qua hàng triệu năm nay. Chúng ta không tìm cách thu nhỏ các cỗ máy cơ khí của con người xuống cấp độ siêu vi, mà nay đang xây dựng lại từ dưới lên các cỗ máy này theo một “kiểu hình” mới. Từ đó, ta có thể chế tạo và nâng cấp những thứ có thể đã bị tiến hóa bỏ qua.

Một ví dụ áp dụng thực tiễn đã được làm (nhưng cũng khá cơ bản): Lớp sơn có thể tự phục hồi của Nissan, dùng phân tử quả tạ kiểu Stoddart.

Xe” phân tử của Feringa, gắn 4 mô tơ chuyển động một chiều vào 4 góc thế, khi cho điện tử vào, “xe” sẽ chạy. Ứng dụng này chưa có gì thực tiễn lắm, nhưng làm cũng vui. ^[10]

Nhiều giải Nobel hóa học gần đây hay bị mắng vốn “sao mà giống sinh học/vật lý thế”, khiến nhiều người (không trực tiếp làm hóa học) lo ngại rằng môn khoa học này đang trên đà trở thành một môn công cụ đơn thuần, không còn là một môn khám phá. Hóa học đúng là một môn khoa học công cụ, nhà hóa học là những nghệ nhân chế tác phân tử. Ở đầu bài có nói tới bài giảng của Feynman, được Ban biên tập tạp chí Nature nhận xét là một tuyên ngôn muốn đưa vật lý thống lĩnh tất cả các ngành khoa học còn lại ^[11], nhưng xin lỗi Feynman, ông đã không đúng khi áp dụng cách nhìn của thời kỳ mà hóa học chỉ chăm chăm lo làm thuốc nhuộm với phân bón. Giải Nobel 2016 dường như nhấn mạnh lại vai trò của Hóa học như một bộ môn khám phá, với việc trao giải cho ngành “động cơ phân tử” mới, hay được xếp vào ngành “hóa học siêu phân tử”, và là tích hợp của nhiều ngành khác nhau: hóa lý, hữu cơ, cơ kim, hóa nano…

Hầu hết các báo đưa tin vể giải Nobel Hóa 2016 đều trích lời Ủy ban trao giải, nói rằng “động cơ phân tử” đang ở giai đoạn tương tự như khi động cơ điện ra đời vào thế kỷ 19, chúng ta chưa biết phải làm gì với chúng, nhưng không lâu sau, chính những động cơ này đã thay đổi hoàn toàn diện mạo của nền văn minh. Năm 2015, tập san Nature đã có bài viết nói về “Động cơ phân tử” ^[10], liệt kê một số ứng dụng cơ bản đang được nghiên cứu (các bạn quan tâm rất nên đọc) và nói rằng đã đến lúc ngành nghiên cứu này chuyển mình. Chúng ta sẽ chờ xem ngành nghiên cứu vừa mơ mộng vừa thực tiễn này sẽ đi đến đâu sau cú huých của Nobel.

*

Chú thích: (Mình viết bài cho Soi chứ không phải cho tạp chí chuyên ngành nên xin đừng bắt bẻ cách chú thích của mình, xin cảm ơn)

[1] Ý của Philip Ball, nguồn từ bài này 
[2] Ví dụ như này DOI: 10.1002/anie.196405461
[3] Lấy từ DOI: 10.1039/C39850000244
[4] Lấy từ “Tetrahedron Letters”, Volume 24, Issue 46, 1983, Pages 5095-5098
[5] Hình từ twitter
[6] Lấy từ Thông cáo báo chí của Ủy ban Giải Nobel
[7] Hình từ trang chemistryworld
[8] Từ trang web của nhóm Feringa
[9] Hình từ bài review của Feringa, J. Org. Chem., 2007, 72, 6635–6652. Có thể xem cái phim quay này ở đây 
[10] Hình từ nature.com
[11] Từ trang nature.com

Ý kiến - Thảo luận

Bài đã đăng

• Về một nhân vật anime: Natalia Poklonskaya - Sáng Ánh (10/03/2022)
• Địa lý dễ thuộc: Bánh bao đến từ đâu, từ Ai Cập? - Sáng Ánh (23/12/2021)
• Địa lý dễ thuộc: Eo nào nhỏ bằng eo Bosphorus? - Sáng Ánh (17/12/2021)
• "Thụy Điển kiều": những Karl Oskar và Kristina không quên quá khứ - Đặng Thái (15/12/2020)
• Chuyện Covid ở một chung cư Thái - Sáng Ánh (10/04/2020)
• Tác phẩm phái sinh và án lệ chưa từng có trong tranh chấp về sở hữu trí tuệ tại Việt Nam - Hân Hân (14/11/2019)
• Học qua hí họa: chú Năm, anh Hai, thuế mậu dịch và chiến tranh thương mại - Sáng Ánh (19/05/2019)
• Lời nguyền của đá (quí) - Sáng Ánh (14/11/2018)
• Du học để làm gì? (bài 3): Cuối cùng là vấn đề tiền - Sáng Ánh (09/10/2018)
• Du học để làm gì? (bài 2): Học môn gì? Học ở đâu? - Sáng Ánh (04/10/2018)

» Xem tiếp...