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.