Kĩ thuật khóa-và-chìa lắp ghép những cấu trúc nhỏ xíu

Các nhà nghiên cứu ở Mĩ vừa phát minh ra một kĩ thuật “khóa và chìa” làm cho những hạt nhỏ tự lắp ghép chúng lại thành những cấu trúc nhỏ xíu đa dạng. Phương pháp có thể mang lại một cách đơn giản để chế tạo những chất liệu hữu ích về mặt công nghệ ở thang bậc chiều dài micromét và nanomét.

Một thí dụ đơn giản của quá trình tự lắp ghép “khóa và chìa” tuần tự: ảnh trên là hình chụp hiển vi của các hạt khóa-và-chìa, còn hàng dưới là hình minh họa quá trình trên. (Ảnh: S Sacanna).

Những hạt đo chừng 100 nm đến 1 µm là những viên gạch cấu trúc tuyệt vời cho việc chế tạo những dụng cụ quang điện tử. Những hạt như thế có kích cỡ chừng bằng với bước sóng trong phần nhìn thấy của phổ điện từ và vì thế tương tác mạnh với ánh sáng.

Một phương pháp triển vọng để chế tạo các dụng cụ là gieo rắc các hạt trên trong một chất lỏng để hình thành nên một thể keo sau đó có thể đặc lại, tạo thành một tinh thể chất keo. Tính chất quang học của những tinh thể như thế có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi khoảng cách giữa các hạt. Các dụng cụ thường được chế tạo bằng cách khai thác khả năng của một số hạt tự lắp ghép thành những cấu trúc đặc biệt. Cơ sở hóa học bề mặt có thể sử dụng để điều khiển hình dạng của những cấu trúc này bằng cách phủ ngoài lên các hạt với những phân tử, ví dụ như chuỗi AND, liên kết với nhau.

Nặn hình một vài viên gạch cấu trúc cơ bản

Nay Stefano Sacanna và các đồng nghiệp tại trường đại học New York vừa phát minh ra một phương pháp điều khiển mới không phụ thuộc vào hóa học bề mặt của các hạt, mà chỉ phụ thuộc vào hình dạng của chúng. Kết quả là quá trình trên tránh được nhiều vấn đề đi cùng với những hạt có phủ ngoài các phân tử hay đã xử lí bề mặt của chúng. “Về mặt lí tưởng, bạn có thể thiết kế ra một cụm hạt với dạng hình học chính xác và những tính chất lí hóa xác định bằng cách nặn hình một vài viên gạch cấu trúc cơ bản và cho chúng tự lắp ghép với cơ chế “khóa và chìa” đơn giản này”, Sacanna nói.

Kĩ thuật trên sử dụng hai hạt có những đặc điểm bổ sung nhau – thí dụ, một hốc cầu trên một hạt (khóa) và một mấu hình cầu vừa khớp trên hạt kia (chìa). Các hạt đẩy lên nhau bằng “tương tác rút xả” liên quan đến việc thêm một loại hạt thứ ba nhỏ hơn nhiều hoặc vào khóa, hoặc vào chìa. Khi khóa và chìa tiến đến rất gần nhau, những hạt nhỏ đó không còn lắp khít giữa chúng nữa. Vì không còn hạt nhỏ nào giữa những hạt lớn để đẩy chúng ra xa nhau, nên những hạt bắt đầu tiến sát lên nhau như thể chúng bị hút bởi một lực tầm ngắn.

Sức mạnh của tương tác rút xả tỉ lệ với sự vừa khớp tốt đến mức nào giữa khóa và chìa – nếu sự vừa khớp không tốt, thì một số hạt nhỏ xíu có thể đi vào trong những khe trống và đẩy khóa và chìa ra xa nhau. Kết quả là những hạt đó có xu hướng hình thành nên những cấu trúc trong đó khóa và chìa bị kẹt vào nhau (xem hình).

Quá trình có thể đảo ngược

Nhờ thực tế đó mà kĩ thuật trên không phụ thuộc vào việc điều khiển cơ sở hóa học bề mặt của các hạt, cho phép nhiều sự tự do hơn trong việc thiết kế và lắp ghép những cụm chức năng, Sacanna khẳng định như vậy. Sự vắng mặt của những liên kết hóa học cũng có nghĩa là sự lắp ghép có thể đảo ngược lại. Các cụm có thể tách ra xa nhau dễ dàng bằng cách thay đổi nhiệt độ.

Một lợi ích quan trọng khác của kĩ thuật trên là những liên kết khóa-và-chìa linh hoạt hơn nhiều so với những liên kết hóa học. “Đặc điểm mới lạ và thiết yếu này có thể dùng để chế tạo, chẳng hạn, những bộ phận di động trong những cỗ máy nano”, Cacanna phát biểu với physicsworld.com.

Một số khóa có thể kết hợp với một chìa đơn (xem hình), nghĩa là một cấu trúc có thể có một số liên kết. Người ta cũng có thể chế tạo nhiều hơn một “túi” trên một hạt khóa. Theo Michael Solomon ở trường đại học Michigan, các túi bội “sẽ mang lại tương đương thể keo của những phức chất ghép mở rộng – những mạng phân tử 2D và 3D tự lắp ghép thành những dạng hình học cố định từ các nguyên tử và phân tử”. “Sự lắp ghép của những hạt keo có thể cho phép đạt tới những cấu trúc chất keo phức tạp như mong muốn, nhưng cho đến nay vẫn khó nắm bắt”, ông bổ sung thêm.

Sacanna và các đồng nghiệp hiện có kế hoạch tạo ra các hạt “thông minh” và đẩy sự tự lắp ghép của chúng đến giới hạn ở đó những cụm cấu trúc rõ ràng của các hạt có thể tự sao lại.

Công trình được mô tả trên tạp chí Nature 464 575.

Theo physicsworld.com