Động cơ nano nhỏ nhất thế giới

Các nhà khoa học thuộc Đại học Tufts vừa công bố chế tạo thành công một động cơ nano được xem là nhỏ nhất thế giới, theo thông tin đăng trên tạp chí Nature Nanotechnology. Thành tựu này gây chú ý vì thiết bị không chỉ nhỏ bé đến mức gần như không thể quan sát bằng mắt thường, mà còn vận hành bằng điện thay vì ánh sáng hoặc phản ứng hóa học. Trước đó, giới nghiên cứu từng tạo ra nhiều động cơ nano, nhưng những thiết bị ấy sử dụng năng lượng từ ánh sáng hoặc các phản ứng hóa học để tạo chuyển động. Điểm đặc biệt của phát minh tại Đại học Tufts nằm ở việc đây là một động cơ điện phân tử, được xem là electronanomotor đầu tiên trên thế giới thuộc dạng này. Cấu trúc của động cơ cực kỳ đơn giản, chỉ gồm một phân tử với một nguyên tử lưu huỳnh làm phần trung tâm, đặt trên một tấm đế bằng đồng. Từ nguyên tử lưu huỳnh đó vươn ra hai “cánh tay” phân tử, được tạo thành bởi các nguyên tử carbon và hydro, hình thành một hệ chuyển động nhỏ bé. Phía trên phân tử là mũi kim của kính hiển vi điện tử quét, bộ phận giữ vai trò cực âm và cung cấp năng lượng cần thiết cho động cơ hoạt động. Toàn bộ hệ thống chỉ có kích thước khoảng 1 nanomet, tương đương một phần nghìn triệu mét, đồng thời tồn tại trong môi trường lạnh tới 5 độ Kelvin. Ở quy mô này, từng nguyên tử đều giữ vai trò quan trọng, bởi chỉ một thay đổi rất nhỏ trong cấu trúc hoặc điều kiện vận hành cũng có thể ảnh hưởng đến chuyển động của phân tử. Khi các electron phát ra từ mũi kim kính hiển vi được hướng vào phân tử, năng lượng điện truyền tới hệ thống và kích hoạt chuyển động quay. Dưới tác dụng của dòng electron, phân tử bắt đầu xoay quanh một trục thẳng đứng, tạo nên hoạt động cơ học trong một cấu trúc nhỏ hơn rất nhiều so với các thiết bị thông thường. Chuyển động quay ấy không dừng lại ở việc làm phân tử xoay tại chỗ, mà còn giúp toàn bộ phân tử tạo ra chuyển động tịnh tiến theo cơ chế được các nhà nghiên cứu quan sát. Động cơ nano đạt tốc độ khoảng 50 vòng mỗi giây, con số đáng chú ý nếu xét đến việc bộ máy chỉ cấu thành từ vài nguyên tử liên kết với nhau. Ở kích thước chỉ khoảng 1 nanomet, khái niệm “động cơ” trở nên rất khác so với hình dung quen thuộc về máy móc, bánh răng hoặc các bộ phận kim loại lớn. Thay vì nhiều chi tiết cơ khí, thiết bị này dựa trên sự sắp xếp của các nguyên tử, dòng electron cung cấp năng lượng và chuyển động của một phân tử riêng lẻ. Nhiệt độ 5 độ Kelvin cũng là điều kiện đặc biệt, giúp hệ thống duy trì trạng thái phù hợp để các nhà khoa học theo dõi và đánh giá hoạt động của động cơ. Kính hiển vi điện tử quét trong thí nghiệm không chỉ hỗ trợ quan sát, mà còn trực tiếp cung cấp electron, qua đó trở thành một phần của cơ chế vận hành. Sự kết hợp giữa phân tử lưu huỳnh, các nguyên tử carbon và hydro, đế đồng cùng mũi kim điện tử đã tạo nên hệ động cơ điện nhỏ nhất được công bố vào thời điểm đó. Phát minh này cho thấy những nguyên lý cơ học quen thuộc vẫn có thể xuất hiện trong thế giới siêu nhỏ, nơi chuyển động được điều khiển ở cấp độ nguyên tử. Dù hiện tại động cơ mới được nghiên cứu trong điều kiện phòng thí nghiệm rất đặc thù, kết quả vẫn mở ra hướng tiếp cận mới cho việc phát triển các hệ thống nano. Các nhà khoa học hy vọng trong tương lai, những động cơ như vậy có thể được dùng để tạo ra các hệ nano với kích thước cực nhỏ và khả năng vận hành chính xác. Một hướng ứng dụng khác được đề cập là chế tạo các cảm biến siêu nhỏ, phục vụ nhiều mục đích khác nhau trong những lĩnh vực cần thiết bị gọn nhẹ và hoạt động ở cấp độ phân tử. Từ một phân tử đơn lẻ quay 50 vòng mỗi giây, nghiên cứu tại Đại học Tufts đặt nền móng cho ý tưởng xây dựng những cỗ máy nano bằng cách kiểm soát chuyển động của từng nguyên tử.