Các nhà vật lí ở Mĩ vừa tạo ra một cái bẫy từ có khả năng chứa những hạt vi mô bất chấp chuyển động Brown của chúng. Cái bẫy trên, xây dựng trên một dây nano từ hóa, hình zigzag, có thể giúp các nhà nghiên cứu tiến hành những thí nghiệm hóa học hoặc sinh học trong một môi trường vi lỏng, trong đó chất lỏng bị giam cầm hình học đến cấp độ dưới mili mét.
Vi lỏng học là một lĩnh vực mới xuất hiện nghiên cứu sự biến dịch những lượng chất lỏng pico lít qua những kênh rộng micron. Khả năng tiến hành những phép đo trên những đại lượng nhỏ xíu là hữu ích cho nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực hóa học, sinh học và y khoa, những người làm việc với những chất liệu đắt tiền, hoặc khó tổng hợp, thí dụ như những loại thuốc mới. Ngoài ra, một số hệ vi lỏng còn có thể hợp nhất với nhau, cho phép tạo ra nền tảng “phòng thí nghiệm trên con chip” dùng trong nghiên cứu nhiều quá trình hóa học cùng lúc.
Tuy nhiên, yêu cầu chủ yếu của vi lỏng học và công nghệ nano là khả năng thao tác đường đi của các vật trong tầm 100nm đến 10µm, trong đó những chuyển động ngẫu nhiên, do nhiệt chi phố - cái gọi là chuyển động Brown – giữ vai trò to lớn. Những kĩ thuật khác nhau đã được nêu ra, nhưng mỗi kĩ thuật có những hạn chế của nó. Chẳng hạn, các nhíp quang có thể bẫy những hạt với điện trường tạo ra bởi một chùm laser tập trung, nhưng quá trình này có thể gây ra sự nóng lên cục bộ. Trong khi đó, nhíp điện môi hoạt động bằng cách thiết lập một điện trường giữa hai điện cực, nhưng những dụng cụ này có thể áp dụng đến môi trường cục bộ.
Dây nano zigzag với những cái bẫy từ tại mỗi xoáy, chúng có thể trói buộc các hạt từ tính. Ảnh: A Chen/Đại học Ohio
Cần điều khiển từ tính zigzag
Nay Aaron Chen và các đồng nghiệp tại trường Đại học Ohio ở Columbus, Mĩ, vừa đi tới một cái bẫy hạt có thể tiêu biểu cho một cách tránh những khó khăn này. Cái bẫy gồm một dây từ tính bằng sắt và cobalt mà các nhà nghiên cứu tạo thành hình zigzag trên một bề mặt silicon. Trước tiên, các nhà nghiên cứu đặt một từ trường mạnh sao cho các điểm từ hóa của dây hướng vào hoặc hướng ra xa mỗi xoáy, tạo ra những trường dạng đơn cực tác dụng như những cái bẫy từ tại các xoáy. Sau đó, họ đặt những từ trường yếu hơn, làm thay đổi sức mạnh của cái bẫy và, do đó, làm thay đổi hành trạng của các hạt.
Các hạt mà Chen và nhóm của ông sử dụng là sắt oxide gói trong một polymer, với bán kính tổng cộng 0,28 hoặc 0,6µm. Thành phần này mang lại cho các hạt một đặc tính siêu thuận từ, nên chúng có thể bị từ hóa trong từ trường tương đối yếu của bẫy mà không biểu hiện bất kì sự từ hóa tàn dư nào. Sử dụng một camera CCD, các nhà nghiên cứu đã nhìn thấy các hạt vẫn ở trong bẫy trong vòng 100nm. Nói cách khác, cái bẫy có thể điều hướng chuyển động Brown của một hạt chứ không trói chặt nó hoàn toàn.
Tán thành và phản đối
Stephen Russek, một nhà vật lí tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia ở Colorado, Mĩ, gọi công trình trên là một tiến bộ đáng kể. “Ngoài việc có thể khu biệt và bẫy một hạt tại một vị trí nhất định, Chen và các cộng sự còn cho thấy họ có khả năng điều khiển chuyển động Brown của nó, đó là một bước quan trọng trong việc điều khiển động lực học phản ứng của [bất kì] phân tử sinh học gắn kết nào”, ông nói. Nhưng ông cho biết thêm “Cơ sở vật lí trên là cổ điển và đột phá chính vừa nêu là một phát triển công nghệ chứ không phải một sự làm sáng tỏ của hiện tượng vật lí mới. Sự điều khiển chuyển động Brown chỉ là một trong [một vài] thăng giáng ngẫu nhiên cần phải điều khiển để cho phép điều khiển chính xác các quá trình sinh học trong ống nghiệm và trong cơ thể sống”.
Lars Egil Helseth, một chuyên gia về bẫy từ tại trường Đại học Bergen ở Na Uy, tán thành rằng vẫn có những hạn chế trong kĩ thuật của các nhà nghiên cứu Ohio. “Cấu trúc vi mô của họ là cố định, và không thể chuyển động ra xung quanh để bắt giữ những hạt nhỏ như người ta có thể làm với bẫy quang và những thành domain từ tính linh động”, ông nói, đó là một trở ngại cho nhiều ứng dụng đòi hỏi những cái bẫy linh động. Ông còn cho biết các tác giả đã sử dụng một cấu trúc cỡ micron, cỡ ngăn cấm sự giam cầm và điều khiển trong những thể tích rất nhỏ. “Mặc dù các bộ phận [của thí nghiệm trên] là đẹp, nhưng tôi tin rằng cần có những giải pháp khác để đáp ứng các yêu cầu của sinh lí học, chẳng hạn”, ông nói.
Tuy nhiên, Chen và các đồng nghiệp hiện có kế hoạch mở rộng kĩ thuật của họ bằng cách chuyển ra khỏi việc điều khiển từng hạt riêng lẻ. “Việc nghiên cứu những hạt bội tương tác như thế nào bên trong một cái bẫy như thế này sẽ là mục tiêu chính tiếp theo của chúng tôi”, ông nói.
Nguồn: physicsworld.com
