Thế giới lượng tử: Hai chân nhanh hơn bốn chân

Ảnh minh họa một máy kéo phân tử bốn chân, với các chân đối diện theo đường chép chuyển động đồng bộ (trái) giống hệt như ngựa (phải). (Ảnh: Ludwig Bartels).

Những cỗ máy phân tử có thể có khả năng chui hầm cơ lượng tử - cái thường nhìn thấy ở những hạt rất nhỏ như electron và nguyên tử. Đó là khẳng định của các nhà nghiên cứu tại trường Đại học California, Riverside, những người đã chế tạo và nghiên cứu các cỗ máy nano “hai chân” và “bốn chân”.

Hành trạng chui hầm chưa bao giờ được trông thấy trước đây ở những dụng cụ quá lớn và là một thách thức cơ bản của cơ học trong thế giới vĩ mô, theo lời người lãnh đạo nhóm nghiên cứu Ludwig Bartels. Nó cũng có nghĩa là những cỗ máy như vậy có thể chuyển động nhanh hơn nhiều so với trông đợi.

Các cỗ máy phân tử được tìm thấy ở mọi nơi trong thế giới sinh học. Thí dụ, acid trong dạ dày của chúng tôi được tạo ra bởi một máy bơm proton trong các tế bào tạo nên dạ dày. Và trong mỗi tế bào trong cơ thể, các protein bị kéo đến nơi cần chúng bằng những động cơ kinesin. Những động cơ sinh học gồm hàng nghìn nguyên tử và thật sự quá lớn để nghiên cứu bằng các mô hình máy tính.

Đội của Bartels muốn tìm hiểu những nguyên lí cơ bản ẩn sau các cỗ máy phân tử tự nhiên để có thể phát triển những dụng cụ nhân tạo tương tự như vậy. Các nhà nghiên cứu trên, cùng với nhà hóa học Michael Marsella, đã tạo ra những phân tử nhỏ, dễ nghiên cứu, có thể “đi bộ” và mang vác “hàng hóa” khi đặt trên một bề mặt phẳng bằng đồng giữ trong chân không. “Đây là một cấu hình đơn giản hơn rất nhiều so với trong sinh học, nơi các phân tử cần phải tự gắn chúng với mọi nơi trong không gian 3D và nơi mọi loại phân tử khác đang trôi nổi xung quanh”, Bartels nói.

Các phân tử đi theo hàng

Hai năm trước, Bartels cùng các đồng nghiệp nhận thấy anthraquinone (một phân tử rất phổ biến, hàng tấn chất này được sử dụng trong ngành công nghiệp bột giấy) có thể đi trên các bề mặt đồng theo một đường thẳng. Đây bản thân nó là một kết quả quan trọng, vì các phân tử bình thường có xu hướng chuyển động ngẫu nhiên ra theo mọi hướng. Hơn nữa, anthraquinone có thể gắn các phân tử carbon dioxide vào hai nguyên tử oxygen, hay “chân”, của nó, và kéo lê khối hàng này cùng với nó khi đó di chuyển đi. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn không hiểu tại sao phân tử này lại chuyển động nhanh như vậy.

Sau đó, các nhà khoa học nghiên cứu pentacenetetrone – một phân tử thông dụng khác không có hai “chân” oxygen như anthraquinone mà có tới bốn chân. Trước sự bất ngờ của họ, Bartels và các cộng sự nhận thấy phân tử “bốn chân” này, chuyển động giống như ngựa phi (cả hai chân ở một phía của phân tử chuyển động cùng nhau tiếp theo hai chân ở phía bên kia), di chuyển chậm hơn một triệu lần so với anthraquinone hai chân.

Theo các nhà nghiên cứu Riverside, sự khác biệt tốc độ to lớn như thế này xảy ra vì một tỉ lệ nào đó các phân tử anthraquinone hai chân dễ dàng chui hầm qua rào chắn (như sự gồ ghề hay gấp nếp bề mặt) có trong môi trường thay vì trèo qua chúng. Mặc dù phân tử bốn chân có thể phối hợp bốn “vó chân” của nó để nó sải về phía trước, nhưng nó không thể phối hợp cả hai chân để chúng chui hầm qua một hàng rào mặt đồng thời. Điều này có nghĩa là phân tử đó cần di chuyển các chân oxygen của nó theo một kiểu bình thường – leo qua các rào chắn.

Mỗi lần nhấc một chân

“Phân tử hai chân nhanh hơn một triệu lần vì nó chỉ cần di chuyển mỗi lần một chân thôi”, Bartels nói. Một chân có thể bắt đầu chui hầm về phía trước tại bất cứ lúc nào và thực hiện một bước dịch chuyển thành công.

“Đây là một sự chệch hướng cơ bản với lí thuyết cơ học trong thế giới vĩ mô...”, ông nói. “Nó giống như là lái xe trên một con đường mấp mô với các bánh xe của bạn đi xuyên qua các ụ đất chứ không trèo qua chúng. Cơ học lượng tử cho phép hành trạng như vậy đối với các hạt rất nhẹ, như electron mà nguyên tử hydrogen, nhưng liệu nó có vai trò gì đối với các phân tử lớn như anthraquinone hay không?”

Các máy cơ phân tử nhân tạo như thế này có thể có ứng dụng trong lĩnh vực vi điện tử học, thí dụ trong lưu trữ dữ liệu, hoặc trong y khoa dùng để phân phối thuốc trong cơ thể. Tuy nhiên, các dụng cụ thực tiễn có thể vẫn hãy còn xa vời – có lẽ chừng chục năm nữa, theo Bartels nhận xét.

Đội nghiên cứu hiện có kế hoạch tạo ra những phân tử dài hơn – “hãy nghĩ tới con rết nhiều chân thay cho ngựa” – có thể điều khiển bằng ánh sáng.

Nguồn: physicsworld.com