Chiếc xe kích thước nano này là một bước tiến trong việc tạo ra những cỗ máy tiên tiến có thể đảm trách các công việc như đi xuyên qua những tĩnh mạch để tiêu diệt tế bào ung thư. Không thể cắm vào lưới điện thông thường, nhưng chiếc xe chạy điện này lại sở hữu một “giấy chứng nhận” đầy ấn tượng: nó...
Chiếc xe kích thước nano này là một bước tiến trong việc tạo ra những cỗ máy tiên tiến có thể đảm trách các công việc như đi xuyên qua những tĩnh mạch để tiêu diệt tế bào ung thư.
Không thể cắm vào lưới điện thông thường, nhưng chiếc xe chạy điện này lại sở hữu một “giấy chứng nhận” đầy ấn tượng: nó là phương tiện nhỏ nhất thế giới bởi được làm bằng một phân tử có kích thước bằng 1 phần tỉ của 1 mét, tức nhỏ hơn 60.000 lần so với độ dày của một sợi tóc người.
Chiếc xe nano
Theo trang tin Discovery, không giống như những chiếc ô tô nano trước đây vốn được hỗ trợ bằng kính hiển vi quét, ánh sáng hoặc nhiệt, chiếc xe phân tử này dùng các electron để di chuyển. “Đây là ví dụ đầu tiên về thứ thực sự có chức năng mô tơ. Bạn có thể nạp năng lượng vào để có một cơ chế đẩy giống như động cơ thực thụ trong một chiếc xe”, Ben Feringa, giáo sư hóa hữu cơ thuộc Đại học Groningen (Hà Lan) và là người chủ trì nhóm chế tạo chiếc xe nano mới cho biết.
Trước đây, chuyên gia Feringa đã nghiên cứu thiết kế các mô tơ phân tử hoạt động giống cối xay gió nhân tạo. Để tạo ra chiếc xe nano mới, ông và các cộng sự đã gắn 4 mô tơ lên một phân tử tổng hợp. Các mô tơ này sẽ đóng vai trò như các bánh bàn đạp mà khi được kích thích điện có thể đẩy hệ thống đi trên một bề mặt bằng đồng. Các electron bắn vào chiếc xe nhỏ xíu này có thể thay đổi hình dạng của rotor, làm chúng di chuyển về phía trước trên khoảng cách bằng một phần nhỏ của nanomet. Các mô tơ được điều khiển riêng biệt nên khả năng điều hướng cũng tương tự như việc xoay vô lăng trên xe cỡ lớn.
Các chuyên gia Hà Lan phải làm việc ở nhiệt độ âm 266 độ C trong tình trạng chân không để các phân tử đứng yên cho đến khi được kích hoạt, tương tự như gài thắng để xe thật không bị tuột dốc khi đậu. Ông Feringa thừa nhận việc kiểm soát chuyển động trong thế giới nano là rất khó và chuyển động này “rất khác với những gì xảy ra ở thế giới lớn hơn”. Trọng lực và khối lượng không giữ cho một chiếc xe phân tử nằm xuống sàn như với một chiếc xe có kích thước thật.“Có sự khích lệ lớn nhằm phát triển các loại mô tơ mà cuối cùng có thể cung cấp năng lượng để thực hiện tất cả các chức năng ở cấp độ nano”, ông cho biết.
Chuyên gia Feringa khẳng định thành quả mà ông đạt được, dù còn nhỏ bé, là một bước tiến cơ bản để tạo ra những cỗ máy nano tiên tiến thực sự, cho phép chiếc xe phân tử này vận hành ở điều kiện bình thường và di chuyển trên quãng đường dài hơn.
Một nhóm khoa học Hà Lan đã chế tạo chiếc ô tô điện chỉ gồm một phân tử, mở ra hướng phát triển những cỗ máy nano có thể thực hiện nhiệm vụ đặc biệt trong tương lai. Kích thước của phương tiện này chỉ bằng một phần tỉ mét, nhỏ hơn khoảng 60.000 lần so với độ dày trung bình của một sợi tóc người. Với kích thước gần như không thể quan sát bằng mắt thường, chiếc xe được xem là phương tiện nhỏ nhất thế giới từng được chế tạo từ một phân tử.
Khác những mẫu ô tô nano trước đây phải nhờ kính hiển vi quét, ánh sáng hoặc nhiệt hỗ trợ, chiếc xe mới sử dụng electron để tạo chuyển động. Giáo sư Ben Feringa, chuyên gia hóa hữu cơ thuộc Đại học Groningen ở Hà Lan, cho biết đây là ví dụ đầu tiên về một hệ thống thật sự có chức năng giống mô tơ. Năng lượng được đưa vào xe, sau đó biến thành cơ chế đẩy tương tự động cơ thực thụ trong những phương tiện kích thước lớn.
Để tạo nên thiết kế đặc biệt này, Feringa cùng cộng sự gắn bốn mô tơ phân tử lên một phân tử tổng hợp duy nhất. Bốn mô tơ đóng vai trò như các bánh bàn đạp, tạo lực đẩy khi nhận kích thích điện trên bề mặt đồng. Công trình kế thừa những nghiên cứu trước đó của Feringa về các mô tơ phân tử hoạt động tương tự những cối xay gió nhân tạo.
Khi electron bắn vào chiếc xe siêu nhỏ, chúng làm thay đổi hình dạng những rotor, khiến các bộ phận này tiến về phía trước từng khoảng cực nhỏ. Mỗi chuyển động chỉ dài một phần nhỏ của nanomet, nhưng sự lặp lại liên tiếp giúp cả phân tử dịch chuyển trên bề mặt đồng. Các mô tơ hoạt động độc lập, vì vậy nhóm nghiên cứu có thể điều khiển hướng đi tương tự cách người lái xoay vô lăng trên ô tô thông thường.
Thử nghiệm diễn ra trong điều kiện cực kỳ khắc nghiệt, với nhiệt độ âm 266 độ C cùng môi trường chân không gần như tuyệt đối. Môi trường này giúp các phân tử đứng yên trước khi được kích hoạt, tương tự thao tác gài phanh để một chiếc xe không trôi khi dừng trên dốc. Nếu không kiểm soát chặt chẽ điều kiện thí nghiệm, những chuyển động ngẫu nhiên ở cấp độ phân tử có thể khiến việc quan sát và điều khiển trở nên khó khăn.
Feringa thừa nhận kiểm soát chuyển động trong thế giới nano khó hơn nhiều so với điều khiển một chiếc xe thông thường. Ở kích thước cực nhỏ, trọng lực và khối lượng không còn giữ phương tiện nằm ổn định trên bề mặt như cách chúng ta vẫn thấy trong đời sống. Vì vậy, các quy luật chi phối chiếc xe phân tử khác đáng kể so với những gì xảy ra trong thế giới kích thước lớn.
Dù chưa thể vận hành trên đường phố, phát minh này gợi mở khả năng tạo ra những cỗ máy nano đảm nhiệm các công việc mà thiết bị thông thường không thể thực hiện. Một hướng ứng dụng được nhắc đến là phát triển phương tiện đủ nhỏ để di chuyển trong tĩnh mạch, từ đó hỗ trợ tiêu diệt tế bào ung thư. Tuy nhiên, chiếc xe hiện tại mới là bước nền tảng, chưa phải thiết bị y tế hoàn chỉnh hoạt động trong cơ thể người.
Giáo sư Feringa cho rằng thành quả nhỏ bé này có ý nghĩa cơ bản đối với quá trình phát triển những mô tơ cung cấp năng lượng cho nhiều chức năng ở cấp độ nano. Mục tiêu tiếp theo là giúp xe phân tử hoạt động trong điều kiện bình thường, đồng thời di chuyển được trên quãng đường dài hơn nhiều so với thử nghiệm hiện nay. Từ một phân tử chuyển động nhờ electron, các nhà khoa học đang từng bước tiến gần hơn tới những cỗ máy nano thực sự có khả năng làm việc.
