Các nhà khoa học vừa phát triển một kỹ thuật mới
để kiểm soát các liên kết nguyên tử trong một phân tử (Ảnh: IBM Research)
Phân tử được tạo thành từ các cụm nguyên tử và là sản phẩm
của tự nhiên và sự sắp xếp của các nguyên tử đó bên trong. Trong khi các phân tử
ôxy mà chúng ta hít thở có cùng một loại nguyên tử lặp lại thì các phân tử đường
được tạo ra từ carbon, ôxy và hyđrô.
Các nhà khoa học đã theo đuổi một thứ gọi là “hóa học chọn
lọc” với mục tiêu hình thành chính xác loại liên kết hóa học giữa các nguyên tử
mà họ muốn. Làm như vậy có thể dẫn đến việc tạo ra các phân tử và thiết bị phức
tạp có thể được thiết kế cho các nhiệm vụ cụ thể.
Những cỗ máy phân tử này là tâm điểm của Giải Nobel Hóa học
năm 2016, với nhà khoa học Hà Lan Ben Feringa được công nhận vì đã tạo ra một
chiếc ô tô phân tử chạy bằng động cơ phân tử quay với tốc độ 12 triệu vòng/giây.
Chúng ta cũng đã thấy các nhà khoa học tạo ra máy bơm phân tử, bánh răng bé xíu
và tàu ngầm phân tử để nhắm mục tiêu vào các tế bào ung thư chẳng hạn.
Lắp ráp những loại máy nhỏ bé này là công việc khéo léo mà
các tác giả của nghiên cứu mới này ví như “đặt các khối Lego vào máy giặt và hy
vọng rằng hàng tỷ tỷ phân tử bằng cách nào đó sẽ tự lắp ráp thành sản phẩm mong
muốn”. Công trình mới của họ nhắm mục tiêu ít dựa vào may mắn hơn và dựa nhiều vào
việc kiểm soát có chủ đích các liên kết hóa học.
Nghiên cứu tập trung vào các phân tử được gọi là đồng phân
cấu trúc vốn có thành phần nguyên tử giống nhau nhưng cách sắp xếp liên kết giữa
các nguyên tử đó khác nhau. Bằng cách sử dụng đầu của kính hiển vi dò quét để
áp các xung điện áp khác nhau, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng họ có thể sắp xếp
lại một cách có chọn lọc các liên kết hóa học. Ví dụ, một phân tử có vòng carbon
10 phần tử ở giữa có thể chuyển đổi thành phân tử có vòng 4 và 8 phần tử, hoặc
phân tử có 2 vòng 6 phần tử ở trung tâm.
Các phản ứng này cũng có thể đảo ngược, có nghĩa là nhóm
nghiên cứu có thể phá vỡ và hình thành các liên kết khác nhau theo ý muốn và về
cơ bản là chuyển đổi giữa các cấu trúc phân tử một cách có kiểm soát. Hình thức
“hóa học chọn lọc” này được nhóm nghiên cứu mô tả là chưa từng có.
“Nó là đầu tiên, là lần đầu tiên mà với tính chọn lọc, các
liên kết khác nhau có thể được hình thành trong một phân tử. Bằng độ lớn của
xung điện áp tác động lên phân tử ở trung tâm, chúng tôi có thể lựa chọn nếu
chúng ta muốn tạo ra phân tử như bên phải hay bên phải (xem bên dưới)”, nhà
khoa học của Research IBM và tác giả nghiên cứu cao cấp Leo Gross giải thích.
Hình ảnh hiển vi lực nguyên tử của các phân tử
với có cách thức sắp xếp nguyên tử khác nhau (Ảnh: IBM Research)
Cỗ máy phân tử vẫn còn ở giai đoạn đầu nhưng công nghệ cho
phép kiểm soát sâu hơn các dạng cấu trúc này có thể hỗ trợ đáng kể cho sự phát
triển của chúng.
Gross nói: “Các nhiệm vụ có thể được thực hiện bởi các cỗ máy
phân tử có thể bao gồm vận chuyển các phân tử hoặc hạt nano, chế tạo và thao
tác với các cấu trúc nano và tạo điều kiện cho quá trình biến đổi hóa học. Các ứng
dụng trong tương lai có thể liên quan đến các thiết bị phân tử đơn electron, hệ
thống cơ điện tử nano, tổng hợp hóa học và phân phối thuốc”.
LH (New Atlas)