Mô phỏng sinh học: Biến phân tử thành động cơ* Động cơ đã thu hút sự tưởng tượng của loài người hàng bao thế kỷ. Những động cơ lớn nhỏ, đơn giản lẫn phức tạp dùng trong xe hơi, máy bay, tàu bè, tên lửa, máy cắt cỏ, máy bơm, máy phát điện, đồng hồ, máy sấy tóc v.v xuất hiện như một hệ quả đương nhiên. Mặt khác, thiên nhiên - một chuyên gia công nghệ nano thông minh nhất và lâu đời nhất - đã và đang dùng các "động cơ" ở cấp phân tử trong mọi quá trình sinh học để duy trì sự sống của muôn loài. Những động cơ sinh học nano cuả thiên nhiên là nguồn khơi động niềm cảm hứng của các nhà khoa học cho việc chế tạo những động cơ ở kích cỡ nano với chức năng tương tự như các loại động cơ vĩ mô. Bắt chước thiên nhiên, các nhà hóa học tổng hợp rất nhiều siêu phân tử được sử dụng như "linh kiện cơ khí" và đã rất thành công trong việc lắp ráp các linh kiện này thành động cơ nano theo phương pháp "từ dưới lên". Tiềm năng ứng dụng của động cơ nano nằm trong lĩnh vực vật liệu "thông minh", bộ cảm ứng nano và phân tử điện tử học. Bài viết này giới thiệu các tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực động cơ nano nhân tạo, những nỗ lực trong việc "thuần hóa" và điều khiển sự chuyển động ở thang phân tử, những thách thức tồn tại trong việc chế tạo cũng như sự am hiểu về cơ cấu vận hành của động cơ phân tử dựa trên quan điểm nhiệt động học. 1. Một giấc mơ hoang tưởng? Phân tử,như thầy cô đã từng dạy chúngta từ thời trung học,làphần nhỏ nhất của vậtchất. Trong nước ta có phân tử nước, trong không khí ta có phân tử oxygen và nitrogen. Động cơ,theo kinh nghiệm hằngngày, như ta biết đó là đầu máy xehơi, tàu thủy,máy bay, máybơm, máy phát điện v.v… Khi phân tử và động cơ đượcđóng khung tronghướng suynghĩ này thìchúng ở hai thế giới riêngbiệt. Ngoài sự lớn nhỏ cực kỳ khác nhau,nhìn mộtcách phiến diện cả hai dường như khôngcó một giaođiểm nào. Tuynhiên, khita định nghĩa động cơ là một công cụ có khả năng chuyển hoán năng lượng để biếnthành mộtchuyển động, như đầu máy hơinước biếnnhiệt thànhcơ năng,máy nổ biến hóanăng (nhiên liệu) thành cơ năng,hay máy phát điện biến hóa năngthành cơ năng (trục máyquay) rồi thành điện năng,thì phân tử cũng cóthể là độngcơ, nếu ta kích thích phân tử bằng năng lượngđể làm nó chuyểnđộng. Ta sẽ có một độngcơ phântử ở cấp nanomét nhỏ hơn những cỗ máy đờithường hàngtỷ lần. Thực hiệnđược điều này hoàn toànnằmtrong khả năng của con người và đương nhiên khôngphải là một giấc mơ hoang tưởng. Nhưngchúng ta phải dựa theomô hìnhnào, phương pháp nào để có thể chế tạo ra động cơ ở mứcnhỏ nhất của vật chấtcó khả nănghoàn thànhmột công việc do con người định đoạtnhư các bộ máy vĩ mô hàng trăm năm nayđã giúpta diđộngtrên mặtđất,mặtnước, trên không,haythayta dichuyểnhànghóa, khuânvác vật nặng. Trướckhi có câu trả lời ta hãy nhìn lại "lịch sử" của độngcơ phân tử. Động cơ phân tử hayđộng cơ nanolà mộtđề tàirấtcũ, cũ như trái đất, nhưng cũng làmột đề tàirất mới, rấthiện đại và thời thượngtrong khoahọc. Rất cũ là vì nhữngđộng cơ phân tử đã hiện hữu trong cácđơn bào, đa bào duy trì sự sống hơn4 tỷ năm trên quả địa cầu. Tiếp theo đó, sự tiến hoá kéo dài vài trăm triệunăm của các loài sinh vật kể cả loài người đã hoàn chỉnh cácđộng cơ phân tử sinh họcđến mức độ ưu việt nếu không muốnnói là lý tưởng.Rất mới làvì sự phát triển của nhiều nền công nghiệp, nhất là công nghiệp điện tử, từ lâu đã đòi hỏi một định hướng chiến lượclà vừa thu nhỏ vừa gia tăng hiệu suất và chất lượng. Nhưng con người có thể thu nhỏ đến mức độ nào? Độ nhỏ tận cùng củavật chất là phântử và đây cũng là mứcnhắm cuối cùngcủa việc thu nhỏ. Nềncông nghệ nanoxuất hiệntrong bốicảnh chiến lượcnày và đã đề xuất một phương pháp luận mới cho việc thu nhỏ các linh kiện điện tử và cơ khí dựa trên các mô hìnhsinh học. Cũngkhôngcần tìmđâu cho xa,cấu tạo sinhhọc của muôn loài, trong ta và xungquanhta, là một mô hìnhlý tưởng mà tạohóa đã dày công điêu khắc,và cũnglà nguồn cảm hứng sinhhọc (bio-inspiration)của các nhà khoa họccho việc sáng tạo ra độngcơ phân tử nano. Bài viết này trìnhbày nhữngthànhquả nghiên cứu và tiềm năngứng dụng của động cơ phântử nhân tạo xuất phát từ những hợp chất hóahọc dựa trên các mô hình sinh học. 2. Động cơ thu nhỏ Nhớ khi còn bé đọcquyển đồngthoại "Gulliverphiêu lưu ký" đến đoạn Gulliverbị đắm thuyền lạc vào tiểu quốc của những người tíhon, người viết mườngtượng đến mộtchốn thần tiên nào đó nơi người tí hon sốngnhư loàikiến với đường sá,nhà ở, vật dụngđềuđược thu nhỏ. Trí óctrẻ thơ thường nghĩ với một lôgic tự nhiên; người nhỏ thì làm ra nhữngvật nhỏ, ở trong một căn nhà nhỏ với đồ đạcnhỏ. Nó còn nhỏ hơn đôi đũa được làm từ cái quehay từng cái chén làm từ hạt dẻ bổ ra, những khúc "bánh mì" làm từ lục bình dưới sông, để bên cạnh bộ tủ chén trong mộtcăn bếp nhỏ làm bằng giấyxếp lại rất dễ thương của bọn con gái hàng xóm chơi trò nhà chòi mà người viết chỉ được phéploanh quanhngắm nhìn nhưng không được thamgia! Lớn hơn mộtchút, người viếtmải mê nhìn bác sửa đồnghồ trước nhà với sự cảm phục khibác nheo lạimột con mắt, con mắtkia thì "ngoạm" lấymột kính lúp nhìn vào động cơ đồng hồ,tay dùng cây vít,cây nhípnhỏ lấy ra từng bộ phận tí honnào là lòxo, bánhcóc (ratchet), bánhrăng (gear),trục quay,con ốc, bỏ vào cái đĩa nhỏ lắc lắc rửa tấtcả bằng xăng. Hỏi tại sao đồng hồ chạy, bác vừatrả lời vừa dùngcây nhíp giơ cao cái lò xo thật mỏngvà nhỏ, từ tốn giảithích; khi lên giây cái lòxo co lại,rồi nó từ từ dãn ralàm quay cái trục, rồi cái bánh xe rồi cây kim đồnghồ v.v Tuy không hiểu hết, nhưngcái đặc điểmbé tí của chiếc đồnghồ đã kích thích sự tò mò của người viết trongmột quãng thờigian dài của tuổithơ. Tiếnhóa của nềnvăn minh cận đại nhân loạigắn liềnvới sự phát triểncủa độngcơ (motor)và máymóc (machine). Sự phát minh động cơ hơi nước của Watt đã mở màn cuộc cáchmạng côngnghiệpcuối thế kỷ 18,tạo mộtbước ngoặt lớn trong lịch sử nhânloại và đã làm thay đổitoàn diện đờisống kinh tế và xã hội của con người. Ngày nay, songsong vớiviệc chế tạo những cổ máy nhẹ hơnvới hiệu năng tohơn như ta thấy ở động cơ xehơi,đầu máy xe lửasiêu tốc,động cơ máy bay phản lực hayphức tạp hơn nữađộng cơ của phi thuyền vũ trụ, các nhà khoa học cũng nghiên cứusự thunhỏ củađộng cơ và nhữngdụng cụ (devices) theo phươngpháp "từ trên xuống"(một vậtto được giacông làm nhỏ hơn, rồi cứ tiếp tục làm nhỏ hơn nữa) [1].Transistorlà một thídụ. Từ khi phát minhra transistor (1947),bằng phươngpháp "từ trên xuống" con ngườiđã thu nhỏ hàngchục triệu lần từ cm đến nanomét. Hiện nay, 2000transistor có thể được xếp trong một khoảng không giandày bằng sợi tóc. Kinhnghiệmthường ngày cho thấy sự thu nhỏ của transistorcàng làm cho những dụngcụ điện tử, điện thoạidi động, máy vi tính càng mỏng, nhỏ gọn, hiệu năngcàng gia tăng. Tuynhiên, sự thu nhỏ transistor theo phương pháp "từ trên xuống"sẽ dừng đến một giới hạn khôngthể vượt qua, một phần vì cơ tínhvà lý tính của vật liệu không cho phép và một phần vìphương pháp chế tạo khôngthể điều khiểnchính xác ở mức độ thấp hơn micromét (phần ngàn milimét). Việc thunhỏ bộ phận cơ khí đã hiện hữu trướccác dụng cụ điện tử nhiều thế kỷ nhưng ítđược quantâm. Ngaytừ thế kỷ 13, nhữngngười thợ làm đồng hồ đã thực hành phương phápthu nhỏ "từ trên xuống"từ chiếc đồng hồ quả lắc đến chiếc đồnghồ đeo tayvới những linhkiện đượcchế tạo ở độ lớn từ cm đếnmm. Tronghai thập niên vừa qua,nhữngnghiên cứu thunhỏ các bộ phận cơ khí vẫn đượcâm thầmthực hiện trongnhữngviện nghiên cứu vàđạihọc trêntoàn thế giới. Thànhquả của những nghiên cứunày đã đưa đếnviệc chế tạo mộtdụng cụ cực nhỏ với những linhkiện cấp micrométgọi là MEMS, chữ tắt của "Microelectro- mechanical systems", tạm dịchlà "hệ thốngđiện cơ vi mô" (Hình 1). Hình 1: MEMS có một cấu trúc thu nhỏ của những bộ phận điện tử và cơ. Đây là bánh cóc dẫn động quay một chiều (unidirectional ratcheting actuator). Chiều dài gạch trắng trong hình là 100 µm; đường kính toàn thể của bánh cóc là 1 mm Những vật dụngcủa người tí hon trong "Gulliverphiêu lưu ký" hay hìnhảnh của Tôn Ngộ Khôngthu nhỏ đivào mũi miệng của kẻ ác để thăm dò,nghe ngóng khôngcòn là chuyện thần thoại để trẻ thơ thả hồn vào một thế giới thần tiên. Ngày nay, đó là những hiện thực.MEMS cónhững ứng dụngquan trọngtrong công nghiệp cũngnhư trong y họcvà trở thành những sản phẩmđược bánra trên thương trường với tổngngạch vài tỷ đô-la hằng năm.Vật liệuvô cơ (silicon), hữu cơ (polymer)haykimloại (vàng, bạc, nhôm)là những nguyên liệuchính dùng để chế tạo các bộ phận MEMSở kích cỡ micrométbằng phương phápkhắc mònlaser (laser ablation), khắc mòn hóa(chemicaletching) hay litô quang (photolithography). Người viết cũng đã có kinh nghiệm khắc mònlaser phim polymerdẫnđiện làmcác ngóntaymicromét cónhữngchi tiết ở độ lớn 10- 20µm. MEMS cảm ứngvới nguồn kíchthích bên ngoài (quang,nhiệt, cơ hay điện) cho tác dụngdẫn động như một động cơ. Đây là động cơ micromét. Một trong những ứng dụng y họclà MEMS đượcgắn vào đèn nội soiđể quan sát cáccơ quantrong cơ thể, hay các bộ cảm ứng y học giá rẻ dùng một lần để giúp y sĩ chẩn bệnhchínhxác và trị bệnhhiệu quả. Đặc biệt hệ thống "lab-on-a-chip" gồm cácbộ phận MEMS, mạng vi lưu(microfluid network)với kích thước từ vài mm đến cm cókhả năng phântích các thínghiệm sinh học tươngđương với chức năng của nhiều phòngthí nghiệm hợp lại. Trong công nghiệp xe hơi,bộ dẫn động (actuator)MEMS kích hoạt làm bao không khí (airbag) bungra để ngăn chặn người lái xekhôngbị đập vào taylái khi gặptai nạn. Đầu phunmực củamáy in văn phòng(printer) đượctrangbị MEMSđể điều chỉnhlượng mực ở mức chính xác nano lít(10 -9 lít). Trong vật lý, MEMSđược gắnvào đầu dò kính hiển viđể quan sát nguyêntử hay đặt vào thiết bị vi mô làm nguội nhiệt phát ra từ các vi mạch.Tiếc thay,cùng chung với số phận với transistor, sự thu nhỏ các bộ phận cơ khí "từ trên xuống" cũnggặp một bất lực tươngtự. Hiện tại ta có MEMSnhưng cóphương pháp nào thu nhỏ hơn, vài ngàn lần nhỏ hơn nữa, cho con người một khả năng chế tạo hệ thốngđiện cơ nano (nanoelectro-mechanical system, NEMS)hay độngcơ nano thaythế MEMS hiệncó? Vâng,phương pháp "từ dướilên" của nền công nghệ nano cho ta một câu trả lời khẳngđịnh. Feynman Trongbài nói chuyện nổi tiếng"Có rất nhiều chỗ trống ở miệt dưới" năm 1959 [2],Feynman cũng bị thu hút bởinhững động cơ cực nhỏ. Ôngnói rằng, thật là một điều thíchthú nếu ta có thể chế tạo được những máy móc cựcnhỏ với những thành phần cấu tạo cóthể di động vàđiều khiển theoý muốn. Gầnmột phần tư thế kỷ sau,vào năm 1983Feynmanvẫn mơ ước chế tạo những chiếcmáy tí hon mặc dùông vẫnhoài nghi sự hữu dụng củanhững dụngcụ cực nhỏ này. Tiếcrằng, khi Feynman qua đờithì những ứngdụng thực tiễn của MEMSmới bắt đầu xuất hiện. Trongsuy nghĩ của mình, Feynman đã phác thảo một ýtưởng làmmột công cụ lớn, rồi từ công cụ này làmcôngcụ nhỏ hơn, nhỏ hơn nữa.Cứ như thế tiếp tục, vừa phục chế (replication)vừa thu nhỏ ta sẽ có một công cụ hay độngcơ cựcnhỏ. Hai mươinăm sau, Drexler[3] đề xuất một ý tưởng tương tự; ông mườngtượng ra một "địa đàng"trong đó có những con robotnano làm côngviệc chồngchập các nguyêntử theo kiểu lắp rápcácmảnh Lego, tạo ra mọi vật biết sinhsôi nảy nở tự phục chế ra chínhbản thân mình. Ý tưởng của Feynmancũngnhư của Drexler rất hấp dẫn, nhưng khó thực hiện vàgần như là khôngtưởng. Trước hết,ta không có một máy móc nào để tạo được con robotnano.Dù có thể tạo ra robotnano hay công cụ cực nhỏ của Feynman, những"ngón tay"của robot phải làm từ các nguyên tử, vànhư vậy nhữngngón tay quáto phì để nắm bắt vàdi chuyển các nguyên tử, phân tử có độ lớn tương đương.Ngoài ra,ở cấp vi mô (micromét, nanomét) lực van derWaals, lực tĩnh điện, lực maoquảnsẽ khống chế mọi thao tác,làm cho các "ngóntay" như bị dính keo vàchuyển độngnhiệt Brown[4] làmrobot dao động liên tục. Một trở ngại kháclà làm saotạo ra mộtmặt "giao lưu" (interface) để con người truyền mệnh lệnh điềukhiển con robotnano. Phải nóirằngý tưởng của Feynmanhay Drexlerchỉ thuần túy dựa trên tư duy của mộtnhà vật lý họchay kỹ sư điện cơ. Đây làmột cơ chế "khô" (gọt,dũa, đục, đẽo, mài, khắc ) tạo dụng cụ, máy móc từ vật liệu rắn. Một cơ chế còn phảngphất ảnh hưởng của phươngpháp "từ trên xuống" của công nghiệp bán dẫntransistor. Tuy nhiên, việc nắm bắt, di chuyển và chồng chập nguyên tử không phải là việc bấtkhả thi. Đầu dò của kính hiển vi quét đường hầm (scanningtunnelling microscope) cóthể di chuyển,mặc dù rấtchậm, nguyên tử ở điều kiện thí nghiệm trong chân khôngvà gần nhiệt độ tuyệt đối để tránh sự daođộng nhiệt và sự va chạmvới phân tử oxygen và nitrogentrong không khí.Nhưng đây không phải là một phương tiện hiệuquả để chồng chập nguyên tử tạo raphân tử và hợp chất. Ngoài ra, không phải nguyên tử nào cũng có thể nối kết, chồng chập vào nhau.Trên lĩnh vựcnày, ta phải dựa vào trí tuệ của các nhà hóa học. Nhàvật lý hạch nhân nổi tiếng ở đầu thế kỷ 20,Ernest Rutherford, có lầnphát biểu "Tất cả mọi khoa học là vật lý hay chỉ là sưu tầm tem bưu điện" (all science is eitherphysics or stamp collecting). Câu nói phản ánhmột thái độ đượm màu sắc kiêu ngạo của mộtsố nhà vật lý đương thời đốivới những lĩnh vực khácvà cũng đã gây phảncảm không ít đến cácđồng nghiệp nghiên cứusinh học hay hóa học. Cho mãi đến thập niên50 của thế kỷ trước,thái độ của các nhàvật lý đối với nghiêncứu sinhhọc vẫn là"Các anh (các nhà sinh học) có biết tại sao các anh tiến bộ quá chậm không?" "Các anh phải dùng nhiều toán hơn chứ, như chúng tôi vẫn thường làm đấy!"[2]. Tuy nhiêncũngđã có những nhà nghiên cứu vật lý sớm ý thức về tầm quan trọngcủa sinh học, ngưỡng mộ những cơ chế trong cơ thể con người, đặtnhững câu hỏi tại sao có"sự sống"từ nhữngnguyên tố vô tri như oxygen, nitrogen,calcium, phosphorous. Saukhi đưara phương trìnhsóng nổi tiếng tiên đoán sự tồn tại các vi hạtcủa thế giới nguyên tử,sinh họcđã hấp dẫn Schrödingervà ông đã mang kiếnthức vật lý của mìnhđể lý giải cáchiện tượng sinhhọc màkhi chỉ nhìnsơ bộ người ta có thể lầm tưởngnhư đi ngược lại các quy luật vật lý. Sự khám phá cấu trúcxoắn kép phân tử DNA của hai nhà vật lýWatson vàCrick (giải NobelY học, 1962) dựa trên kết quả của RosalindFranklin là mộtbước ngoặt lớn trong nghiên cứu sinhhọc. Những dự kiến thiên tàicủa Feynmantrong bài nói chuyện năm 1959 [2]cũng đã liên quan rấtnhiều về các mô hình và chứcnăng của phân tử sinh học. . Mô phỏng sinh học: Biến phân tử thành động cơ* Động cơ đã thu hút sự tưởng tượng của loài người hàng bao thế kỷ. Những động cơ lớn nhỏ, đơn giản lẫn phức tạp. điện biến hóa năngthành cơ năng (trục máyquay) rồi thành điện năng,thì phân tử cũng cóthể là độngcơ, nếu ta kích thích phân tử bằng năng lượngđể làm nó chuyểnđộng. Ta sẽ có một độngcơ phântử ở. của độngcơ phân tử. Động cơ phân tử hayđộng cơ nanolà mộtđề tàirấtcũ, cũ như trái đất, nhưng cũng làmột đề tàirất mới, rấthiện đại và thời thượngtrong khoahọc. Rất cũ là vì nhữngđộng cơ phân tử