Cách mạng công nghệ nano và những cỗ máy siêu nhỏ

• Công nghệ Nano có thực sự an toàn?
• Siêu sản phẩm được tạo ra bởi công nghệ nanô
• Điều kỳ diệu của công nghệ NANO

Sáng chế tưởng như chỉ có trong các bộ phim khoa học viễn tưởng này lại là khởi đầu đầy hứa hẹn cho nhiều lĩnh vực khoa học quan trọng như y học, công nghệ vật liệu và năng lượng. Có thể nói, mọi thứ "lớn lao" đều bắt đầu từ những thứ "nhỏ nhất".

Tham vọng công nghệ nano

Phía sau những sản phẩm tí hon là cả những tham vọng lớn lao được nung nấu từng ngày. Và cần phải có cả một nỗ lực phi thường để có thể phát triển một cỗ máy có kích thước được tính bằng đơn vị nano - nhỏ hơn bề dày của sợi tóc người đến 1.000 lần.

Có thể nói, quá trình phát triển những chiếc máy có kích thước bằng phân tử không thể chỉ tóm tắt ngắn gọn ở sự đóng góp của riêng một người hay một phát kiến khoa học vĩ đại nhất định.

Song, bài phát biểu vào năm 1959 của nhà vật lý nổi tiếng Richard Feynman trong hội nghị Hội Vật lý Mỹ - được tổ chức tại California - có thể được xem là một cột mốc đáng chú ý trong cả tiến trình phát triển của những cỗ máy siêu nhỏ. Bài phát biểu về "nhiều chỗ trống ở cấp vi mô" của Richard Feynman ngày hôm đó đã trở thành "bản tuyên ngôn" mở đường cho sự phát triển công nghệ nano.

Trong bài phát biểu nổi tiếng này, Feynman tiên đoán ứng dụng được mong đợi nhất của những cỗ máy siêu nhỏ chính là robot phẫu thuật siêu nhỏ và thiết bị vận chuyển thuốc cục bộ trong cơ thể.

Tại hội nghị, Feynman trình bày: "Mặc dù đây là một ý tưởng rất ngông cuồng nhưng mọi thứ sẽ thật thú vị đối với khoa phẫu thuật nếu như bạn có thể nuốt cả một "nhà phẫu thuật" vào cơ thể. Ví dụ, sau khi được đưa vào mạch máu, "nhà phẫu thuật" sẽ đi thẳng đến quả tim để thăm khám và từ đó sẽ phát hiện được van tim nào bị hỏng rồi tự lấy ra một con dao siêu nhỏ để sửa chữa nó".

Không lâu sau đó, ý tưởng thú vị này được các nhà làm phim khoa học viễn tưởng nhanh chóng tiếp thu và bộ phim Fantastic Voyage (Tạm dịch: Hành trình kỳ thú) được ra đời vào năm 1966. Trong phim, một đội thủy thủ tàu ngầm bị thu nhỏ và tiêm vào cơ thể của một nhà khoa học để cứu sống ông ta!

Tuy nhiên trong suốt 50 năm sau đó, các nhà khoa học vẫn hoàn toàn thất bại trong việc biến ước mơ viễn tưởng này thành hiện thực. Nhưng dù thế nào đi nữa, họ vẫn hy vọng một ngày nào đó sẽ có một cỗ máy tí hon có khả năng đưa các loại thuốc hóa trị cực độc thẳng đến ngay khối u mà không gây hại gì đến những tế bào khỏe mạnh bình thường xung quanh.

Một trong 3 nhà khoa học đoạt giải thưởng Nobel Hóa học danh giá năm 2016, Sir Fraser Stoddart, chia sẻ: "Vấn đề là sự đột phá trong khoa học không thể xuất hiện sau một đêm. Cần cả một thời gian rất dài và hàng trăm nhà nghiên cứu với trình độ sau tiến sĩ cực kỳ tài năng".

Thật ra, vào thời điểm Richard Feynman nghĩ đến việc điều khiển những vật chất có kích thước siêu nhỏ, các nhà hóa học đã chuẩn bị sẵn những nền tảng cơ bản cho quá trình nghiên cứu táo bạo như thế. Trong những năm của thập niên 1950 và 1960, các nhà khoa học vẫn cố gắng liên kết những chất hóa học có cấu tạo đặc biệt với nhau thành chuỗi với mục tiêu tạo ra một phân tử mới. Song, những bước tiến đầu tiên đã bị lu mờ khi các nhà khoa học chỉ cố vật lộn trong việc tạo ra đủ lượng phân tử mới nhằm tìm ra hướng điều chỉnh phương pháp tổng hợp phức tạp của họ.

Cho đến năm 1983, một nhóm nghiên cứu người Pháp được dẫn đầu bởi Jean-Pierre Sauvage - một trong số 3 nhà khoa học đoạt giải Nobel Hóa học năm 2016 - đã tạo ra một bước tiến có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Sauvage liên kết hai phân tử với nhau, bao quanh một ion đồng ở giữa, tạo nên mắt xích đầu tiên trong chuỗi các phân tử. Về cơ bản, thành công lần ấy của Sauvage đã giúp các nhà hóa học hoàn thành mục tiêu dang dở.

Tiếp đó, Sir Fraser Stoddart thúc đẩy lĩnh vực nghiên cứu này khi tổng hợp thành công một chiếc gậy nano với những chiếc nút ở đuôi được bao quanh bởi những phân tử hình tròn. Sir Fraser giải thích: "Những vòng tròn này được dùng để di chuyển lên xuống giữa hai điểm. Bạn có công tắc bật và tắt để từ đó có thể tạo nên một chiếc máy thật sự".

Những phân tử này được gọi là rotaxane, là cấu thành cơ bản của hàng loạt chiếc máy nano được chế tạo bởi Sir Fraser và những đồng nghiệp của mình. Trong đó phải kể đến một chiếc "thang máy nano" có khả năng tự nâng lên độ cao 0,7 nano mét so với bề mặt và một cơ bắp nhân tạo siêu nhỏ với cấu tạo bằng các rotaxane bẻ cong một lá vàng mỏng.

Thêm vào đó, sau khi làm việc cùng Giáo sư Jim Heath, Đại học California Los Angeles (UCLA), Sir Fraser bắt đầu phát triển một chip điện tử siêu nhỏ. Mặc cho trước đó định luật Moore - được đưa ra bởi Gordon Moore, nhà đồng sáng lập Intel - dự đoán rằng số lượng bóng bán dẫn trong một mạch tích hợp sẽ tăng lên gấp đôi sau mỗi chu kỳ 2 năm.

Tuy nhiên, có một số nghiên cứu cho rằng định luật nổi tiếng này thực ra đã "lỗi thời" khi mà những bóng bán dẫn có thể đáp ứng công suất hoạt động ngày càng lớn của các thiết bị điện tử hiện nay. Sir Fraser giải thích: "Vào khoảng năm 2007, chúng tôi đã tạo ra một chip nhớ 160 kilobit. Vấn đề duy nhất chỉ là chúng không được bền. Ngày nay, chúng tôi đang cố tìm cách nâng tuổi thọ của những chiếc công tắc hóa học".

Trong khi đó, giáo sư Ben Feringa Đại học Groningen (Hà Lan) và là một trong ba nhà khoa học được trao giải Nobel Hóa học 2016, phát triển thành công một động cơ phân tử đầu tiên. Đây được xem là cột mốc quan trọng trong lĩnh vực công nghệ nano.

Thông thường, các phân tử chuyển động ngẫu nhiên và thường có xu hướng di chuyển sang phải nhiều hơn. Tuy nhiên, vào năm 1999, bằng một loạt các kỹ thuật thông minh, Giáo sư Feringa và những đồng nghiệp của mình đã gặt hái thành công trong nỗ lực thiết kế một phân tử có khả năng di chuyển theo một quỹ đạo nhất định.

Đến năm 2011, từ thành công này, họ nghiên cứu phát triển thành công một xe nano 4 bánh. Theo đó, xe nano, có cấu tạo gồm một khung gầm phân tử tích hợp 4 động cơ hoạt động như những bánh xe, có khả năng tiến hoặc lùi như một chiếc ô tô.

Kỳ vọng cho những ứng dụng mang tính đột phá

Cho đến nay, rất nhiều nhóm nghiên cứu đang tiếp tục xây dựng và mở rộng thành tựu của 5 thập niên qua. Năm 2013, một nhóm nhà nghiên cứu được chỉ đạo bởi Giáo sư David Leigh, Đại học Manchester chế tạo thành công robot nano có khả năng tóm lấy các axit amin - đơn vị cơ bản tạo nên protein - và liên kết chúng lại với nhau giống hệt như chức năng của các ribosome trong tế bào.

Tuy chỉ mới là vật mẫu trong phòng thí nghiệm nhưng các nhà nghiên cứu nhận thấy được những tiềm năng của nó. Giáo sư Donna Nelson, Chủ tịch Hội Hóa học Mỹ (ACS), nhận định: "Cả thế giới dành rất nhiều sự quan tâm cho giải Nobel và họ sẽ tác động vào việc nghiên cứu. Điều đó sẽ khiến cả lĩnh vực này phát triển. Nhiều nhà khoa học sẽ nhảy vào lĩnh vực này cũng như chúng ta sẽ thu hút được nhiều nguồn tài trợ hơn. Ngày nay các bạn có thể kỳ vọng rằng những ứng dụng mới sẽ xuất hiện sớm hơn".

Ví dụ, ngành dược cũng có thể sử dụng những công tắc phân tử để hoạt hóa hoặc bất hoạt tác dụng thuốc trong cơ thể người. Đây sẽ là một bước tiến dài trong cuộc chiến chống lại ung thư, loại bệnh gắn liền với những phương pháp điều trị độc hại, cũng như trong lĩnh vực sản xuất kháng sinh.

Tiến sĩ Tibor Kudernac, cho biết: "Một trong những thách thức lớn nhất hiện nay là sự phát triển của các vi khuẩn kháng thuốc. Đây có thể là một giải pháp giúp hoạt hóa kháng sinh trong cơ thể ở một giai đoạn ngắn ngủi duy nhất khi cần thiết. Chúng sẽ hoàn toàn bất hoạt trước khi được đào thải ra khỏi cơ thể".

Ngoài ra, công nghệ này cũng có thể được ứng dụng trong những động cơ phân tử gọn nhẹ với khả năng biến năng lượng thành chuyển động cơ học. Hoặc, chúng ta cũng có thể ứng dụng công nghệ này trong chế tạo robot mềm, lĩnh vực đòi hỏi hạn chế sử dụng kim loại để thay thế bằng những vật liệu nhẹ và mềm dẻo hơn.

Tiến sĩ Kudernac cho biết: "Nếu cần cầm nắm một vật dễ vỡ hay nhạy cảm, có thể là cả nội tạng người trong tương lai, bạn sẽ không muốn một cánh tay robot động vào chúng. Bạn phải tiếp xúc nhẹ nhàng. Hệ thống máy móc phân tử là một trong những ứng dụng lý tưởng cho tương lai".

Hơn thế nữa, mục tiêu dài hạn của các nhà khoa học hiện nay là tạo ra một loại máy móc có thể bắt chước một hoạt động nào đó của tế bào - như phân chia tế bào chẳng hạn. Nếu thành công thì đây sẽ là bước chuyển lớn cho ngành sinh học nhân tạo, thậm chí chúng ta có thể tự tạo ra nội tạng người.

Tiến sĩ Kudernac chia sẻ: "Một trong những đặc trưng của sự sống đó là phân chia tế bào. Chúng ta muốn tạo ra một tế bào nhân tạo có khả năng tự phân chia. Hiện thời, chúng ta vẫn chưa biết phải làm thế nào với quy trình phân bào này và đó chính là thử thách tiếp theo. Khi đó, chúng ta có thể sử dụng những tế bào nhân tạo để nghiên cứu về khởi nguồn của sự sống cũng như tổng hợp những hợp chất hóa học phức tạp".