Bạn có thể làm ra một cỗ máy nhỏ đến mức nào? Đó là câu hỏi nổi tiếng mà Richard Feynman đặt ra từ năm 1950 để dự đoán về sự phát triển của công nghệ nano. Đi chân đất, mặc chiếc áo hồng và quần ngắn màu be, Feynman trình bày một bài giảng năm 1984 để thể hiện tầm nhìn lâu dài đối với ngành hóa học. Ông nói với khán giả: “Giờ chúng ta hãy nói về khả năng tạo ra những cỗ máy cực nhỏ với những bộ phận có thể chuyển động được”. Ông tin rằng có thể tạo ra những cỗ máy có kích thước chỉ tính bằng nanomet vì những cỗ máy như vậy đã có trong tự nhiên, như trùng roi.
Nhưng con người, với bàn tay to như vậy, có thể tạo ra những cỗ máy nhỏ đến mức phải cần kính hiển vi điện tử mới nhìn thấy được không? Một cách khả dĩ là tạo ra một đôi tay cơ khí nhỏ hơn tay của con người, sau đó dùng đôi tay này để tạo ra đôi tay nhỏ hơn. Quá trình này cứ tiếp diễn đến khi nào đạt được bàn tay nhỏ như mong muốn. Feynman cho biết cách này đã được thử, nhưng không thành công lắm. Một cách khác là tạo ra cỗ máy từ dưới lên. Trên lý thuyết, có thể phun những chất như silicon lên bên mặt các lớp nguyên tử. Những lớp đó sau đó được loại bỏ một phần để tạo ra những bộ phận chuyển động có thể được điều khiển bằng dòng điện. Mục đích bài giảng của Feynman là để truyền cảm hứng cho người nghe, thúc đẩy họ thử nghiệm những giới hạn mà họ cho là có thể. Feynman hay những nhà nghiên cứu ngồi nghe bài giảng hôm đó không biết rằng đó chính là những bước đầu tiên dẫn đến sự ra đời của những cỗ máy kích thước phân tử, nhưng theo cách thức không giống dự đoán của Feynman.
Những người tiên phong
Vào giữa thế kỷ 20, các nhà hóa hoc nỗ lực tạo ra những chuỗi phân tử mà trong đó các phân tử hình nhẫn kết nối với nhau.
Theo Viện Khoa học Hoàng gia Thụy Điển, nhà khoa học người Pháp Jean-Pierre Sauvage thực hiện bước đi đầu tiên năm 1983 để tiến tới việc chế tạo một cỗ máy phân tử. Khi đó, Sauvage thành công với việc kết nối những phân tử hình nhẫn để tạo nên một chuỗi mà trong đó các bộ phận có thể di chuyển tương đối với nhau.
Bước thứ hai được nhà hoa học người Anh Fraser Stoddart thực hiện năm 1991 khi ông xâu một vòng phân tử vào một trục phân tử và chứng minh rằng vòng phân tử này có thể di chuyển dọc trục đó, dẫn đến sự ra đời của chip máy tính dựa trên phân tử.
Năm 1999, nhà khoa học người Hà Lan Bernard Feringa là người đầu tiên tạo ra động cơ phân tử, khiến lưỡi cánh quạt phân tử quay liên tục theo cùng một hướng. Feringa gây ấn tượng mạnh khi dùng những động cơ nhỏ như vậy để quay chiếc xy-lanh thủy tinh có kích thước lớn hơn động cơ 10.000 lần và cũng thiết kế ra một chiếc xe nano.
Chiếc xe nano do nhóm của nhà khoa học Bernard Feringa sản xuất. Ảnh: Đại học Groningen
Khi còn nhỏ, Stoddart không có máy tính hay TV. Thay vào đó, ông say mê với những hình ghép, và từ đó hình thành kỹ năng mà một nhà hóa học rất cần: nhận dạng hình ghép và xem chúng có thể kết nối với nhau như thế nào. Ông cũng rất thích ngành hóa học vì muốn trở thành một nghệ sĩ phân tử - tạo ra những hình dạng mới, những thứ mà thế giới chưa từng nhìn thấy.
Stoddart nổi tiếng với cách thể hiện các mô hình hóa học theo phong cách hoạt hình độc đáo. Ông là một trong những nhà nghiên cứu đầu tiên sử dụng màu sắc đa dạng trong các ấn phẩm hóa học và dùng nhiều màu sắc để thể hiện tính chất cụ thể của phân tử. Stoddart duy trì cách trình bày này trên tất cả các bài viết đăng trên ấn phẩm hay các bài thuyết trình. Phong cách này của ông được nhiều nhà nghiên cứu khác học hỏi khi trình bày về những cỗ máy phân tử. Tính đến năm 2016, Stoddard đã xuất bản hơn 1.000 ấn phẩm chuyên ngành và giữ ít nhất 10 bằng sáng chế. Từ năm 1997 đến 2007, ông đứng thứ 3 trong số những nhà hóa học được trích dẫn nhiều nhất, với tổng số hơn 14.000 trích dẫn trong 304 bài viết và tần suất trích dẫn hơn 46 lần trong mỗi bài.
Khác với Stoddard, Feringa lớn lên trong một nông trại và yêu thích ngành hóa học vì ở đó có những cơ hội vô tận cho sáng tạo. Ông từng nói trong một cuộc phỏng vấn: “Có lẽ sức mạnh của hóa học không chỉ là hiểu biết, mà còn là sáng tạo, tạo ra những phân tử và vật liệu chưa từng tồn tại trước đó”.
Những bước đi đột phá của Sauvage, Stoddart và Feringa đã tạo nên một bộ công cụ về cấu trúc hóa học để các nhà nghiên cứu khắp thế giới ứng dụng. Viện Khoa học Hoàng gia Thụy Điển nói rằng, những cỗ máy phân tử “có khả năng sẽ được sử dụng nhiều nhất để phát triển những thứ như vật liệu mới, thiết bị cảm biến hay hệ thống dự trữ năng lượng”. Một trong những ví dụ nổi bật nhất là robot phân tử ra đời năm 2014 có thể giữ và kết nối các axit amin.