TiaSang
Thứ 5, Ngày 29 tháng 7 năm 2021
Đổi mới sáng tạo

Các nhà khoa học thiết kế động cơ phân tử chuyển động siêu nhanh

21/06/2021 08:15 -

Các động cơ phân tử do ánh sáng dẫn dắt đã được phát triển hơn 20 năm qua. Mỗi một lần chuyển động, các động cơ đó thường mất từ vài micro giây đến vài nano giây. Thomas Jansen, phó giáo sư vật lý tại trường ĐH Groningen và học viên cao học Atreya Majumdar mới thiết kế được một động cơ phân tử có tốc độ siêu nhanh.

Thiết kế mới này được điều hướng bằng sáng sáng và có thể thu lại hoàn toàn trong vài pico giấy bằng việc sử dụng năng lượng của một photon. Jansen nói, “chúng tôi phát triển một thiết kế hoàn toàn mới cho một phân tử động cơ siêu nhanh. Thiết kế này được xuất bản trêm The Journal of Physical Chemistry Letters "Quantum-Classical Simulation of Molecular Motors Driven Only by Light". (Mô phỏng lượng tử cổ điển các động cơ phân tử chỉ điều khiển bằng ánh sáng). 

Thiết kế động cơ nguyên tử mới được bắt đầu với một dự án, trong đó Jansen kỳ vọng hiểu được  toàn cảnh năng lượng của các chromophore bị kích thích – nhóm mang màu (chromophore) là một phần của phân tử tạo nên màu sắc của phân tử đó. “Nhóm mang màu này có thể thu hút hoặc đẩy lẫn nhau. Tôi tự hỏi là liệu chúng tôi có thể sử dụng đặc tính này để khiến cho chúng có thể tạo ra một cái gì đó mới không”, Jansen giải thích. Ông đã trao nhiệm vụ cho Atreya Majumdar, khi đó là một học viên năm nhất trong chương trình Top Master Khoa học nano tại Groningen. Majumdar đã mô phỏng tương tác giữa hai nhóm mang màu đã kết nối để hình thành một đơn phân tử.

Ánh sáng

Majumdar, hiện là nghiên cứu sinh khoa học nano tại trường đại học Paris-Saclay ở Pháp, nói “Một photon sẽ kích thích cả chromophore một cách đồng thời, tạo ra các lưỡng cực khiến chúng đẩy nhau”. Nhưng khi họ gắn chúng lại với nhau, kết nối bằng một trục nối ba, hai nửa đẩy nhau quanh cái trục này. “Trong suốt chuyển động này, chúng bắt đầu hút nhau”. Việc kết hợp kết quả này vào một chu trình đầy đủ được tạo ra bằng một năng lượng ánh sáng và giao tiếp tĩnh điện giữa hai chất mang màu.

Động cơ phân tử do tia sáng định hướng ban đầu được đồng nghiệp của Jansen phát triển – giáo sư hóa hữu cơ Ben Feringa tại trường đại học Groningen và chủ nhân giải Nobel hóa học năm 2016. Động cơ này tạo ra một chuyển động trong bốn bước, hai bước do ánh sáng điều hướng và hai bước do nhiệt. “Các bước nhiệt có sự giới hạn về tốc độ”, Jansen giải thích. “Phân tử phải chờ cho một dao động trong năng lượng nhiệt để định hướng chuyển động ở bước tiếp theo”.

Những nút thắt

Tương phản, trong thiết kế mới, một chu trình lên xuống đầy đủ từ một trạng thái được kích thích. Tuy thuộc vào động lực học lượng tử, một hạt photon kích thích cả hai chromophore đồng thời, vì vậy chúng không gặp điểm nghẽn nào đủ lớn để giới hạn tốc độ của chu trình này, do đó độ lớn trong vận tốc của nó gấp từ hai đến ba lần so với các động cơ cổ điển của Feringa.

Tuy nhiên tất cả những điều này vẫn mới chỉ về mặt lý thuyết và được đặt trên các tính toán cũng như mô phỏng. “Việc tạo dựng được một trong những động cơ đó không phải đơn giản”, Jansen nói. Các chromophore này tuy hữu dụng nhưng vô cùng mong manh. Việc tạo ra một trục liên kết ba không hề dễ dàng. Jansen kỳ vọng ai đó sẽ thử xây dựng một phân tử hữu cơ với nhưng đặc tính đã được ông miêu tả này. Và không phải một phân tử hữu cơ nào cũng có  được những đặc tính đó. Majumdarcho biết thêm: “Chúng tôi đã tạo ra một hướng dẫn chung cho thiết kế một động cơ phân tử dạng này”.

Báo hiệu một dạng mới

Jansen đã sớm đề cập đến một vài ứng dụng tiềm năng từ thiết kế của mình: chúng có thể hữu dụng với việc phân phối thuốc hoặc đưa các vật thể ở kích cỡ nano có thể chuyển động trên một bề mặt, hoặc có thể sử dụng trong những ứng dụng công nghệ nano khác. Và tốc độ trong chu trình này có thể vượt qua được tốc độ trung bình của quá trình sinh lý. Trong các mô phỏng, những động cơ không chỉ được gắn vào một bề mặt thu hút mà còn sẽ quay trong dung dịch. Jansen nói, “Nó sẽ đòi hỏi rất nhiều kỹ thuật và chỉnh sửa để tạo ra được các động cơ này một cách thực sự. Tuy nhiên nghiên cứu của chúng tôi sẽ mở ra một dạng hoàn toàn mới của động cơ phân tử”.

Anh Vũ tổng hợp

Nguồnhttps://www.rug.nl/sciencelinx/nieuws/2021/06/university-of-groningen-scientists-design-superfast-molecular-motor?lang=en

https://phys.org/news/2021-06-scientists-superfast-molecular-motor.html

Tags: