Khi Thomas Edison muốn tìm một loại vật liệu để làm dây tóc bóng đèn, ông đã lùng tìm khắp nơi trên thế giới, thu thập hàng nghìn mẫu vật liệu tiềm năng trước khi quyết định chọn tre nứa. (Phải nhiều năm sau đó người ta mới biết cách sử dụng vật liệu Vonfram). Đây là cách thức truyền thống để tìm ra các loại vật liệu thích hợp. Chúng ta đã lấy các hòn đá để làm rìu, đốn gỗ để làm nhà và đục đẽo các mảnh xương để chế tạo các công cụ lao động.
Sau đó chúng ta đã học được cách tổng hợp các vật liệu mới từ các vật liệu cũ, giống như nặn đất sét thành các viên gạch hay các bình gốm và nung chúng cứng lại như đá. Các chất dẻo đã bổ sung vào danh sách vật liệu của chúng ta dưới dạng một hỗn hợp gồm cotton tổng hợp, axit và nhựa cây.
Phần lớn công cuộc truy tìm các vật liệu mới đã được chuyển vào các phòng thí nghiệm khoa học. Việc tìm kiếm trở nên hiệu quả hơn so với thời Albertus Magnus (được cho là đã) tổng hợp ra Hòn đá phù thủy, nhưng cuộc chơi vẫn chủ yếu mang tính trí tuệ may rủi. Chúng ta thử kết hợp các thành phần [hóa học], kết hợp việc làm nóng, pha trộn và các quy trình khác, trong khi ôm giữ hy vọng một trong số chúng sẽ thành công.
Trong vài thập kỷ qua, một hệ thống tìm kiếm tự động với quy mô tăng cường và tính tổ chức cao, được gọi là “hoá học tổ hợp (combinatorial chemistry)”, đã sản sinh ra những loại thuốc và vật liệu mới, bao gồm các loại sơn phủ ô-tô, vật liệu lưu trữ hydro, vật liệu chế tạo pin năng lượng Mặt Trời, các loại hợp kim cùng thuốc nhuộm hữu cơ.
Các kiến trúc sư và kỹ sư không muốn trông chờ vào cuộc tìm kiếm hay sự may rủi để xây dựng một cây cầu mới lạ với khả năng trụ vững trước sức nặng của một chiếc xe tải 10 tấn. Họ sử dụng các nguyên tắc đã được thiết lập, giấy và bút (cùng phần mềm) để tạo ra một thiết kế mà họ có thể xác nhận sẽ đáp ứng các đặc điểm kỹ thuật cần thiết dựa trên các tính toán và suy luận.
Ngày nay các nhà hoá học và các nhà khoa học vật liệu cũng đang áp dụng một cách thức tương tự, từ đó thúc đẩy một cuộc cách mạng vật liệu.
Các thách thức trong việc lập kế hoạch thiết kế – xây dựng
Một trong những thách thức lớn nhất trên phương diện công nghệ của thế kỷ này là thiết kế được những vật liệu mới lạ có khả năng thoả mãn các đặc điểm kỹ thuật cho trước, và sau đó, khi vật liệu này được tổng hợp thì nó phải đáp ứng được các đặc điểm kỹ thuật đó.
Cũng giống như việc các thợ xây có thể xây một ngôi nhà từ những viên gạch, xà gồ và vữa dựa trên một bản thiết kế chi tiết, các nhà khoa học sẽ tổng hợp một loại vật liệu từ các phân tử nhờ vào một bản thiết kế chi tiết chỉ ra vị trí của “các khối lắp ghép phân tử”.
Tuy nhiên xuất hiện một vấn đề. Khác với các viên gạch, xà gồ và vữa, con người không thể nhặt các nguyên tử hay phân tử bằng tay và đặt chúng vào một cấu trúc công trình.
Điều này phải được thực hiện một cách gián tiếp, khá giống với công trình xây dựng hiện đại: cũng như chúng ta có cần cẩu, ròng rọc và các công cụ khác để điều khiển các xà gồ, tấm panen và các khối mô-đun được dựng sẵn, chúng ta cần các dụng cụ để thao tác với các nguyên tử hay phân tử để đặt chúng vào đúng vị trí – và sau đó hàn gắn chúng tại với nhau.
Thao tác với ADN
Hãy xem xét một ví dụ (rất thú vị): ADN. Với các công nghệ hiện nay, ADN có thể dễ dàng được thao tác hơn so với các vật liệu khác; trong vài thập kỷ qua, chúng ta đã phát triển được nhiều cách thức để thao tác với các phân tử ADN.
Năm 1980, GS Nadrian Seeman đã quan sát bức hoạ “Chiều sâu” của hoạ sĩ M.C. Escher, trong đó miêu tả vô số đàn cá bơi cách đều, và quyết định tạo ra một thứ tương tự, và rốt cục ông đã làm được điều đó sau ba thập kỷ.
Trong giai đoạn 3 thập kỷ đó, ông đã chế tạo được một khối hộp ADN; còn GS Paul Rothemunde chế tạo được một hình khuôn mặt cười từ các ADN, GS Leonard Adleman đã cho thấy cách thức ADN có thể được dùng để tính toán các thứ, và cả một cộng đồng chuyên chế tạo những thứ có kích thước nano từ phân tử ADN đã xuất hiện.
Khuôn mặt tươi cười của GS Rothemunde dường như là một điềm báo cho nhiều thứ xuất hiện sau đó. Nó giống như một loại vải dệt nano với một sợi (chuỗi) ADN rất dài, gập về đằng trước và đằng sau để tạo nên một vòng tròn. Hai trăm chuỗi ADN ngắn – “các ghim kẹp”- giữ cho chuỗi dài nói trên liên kết với nhau.
Không chỉ hình dáng bên ngoài (chuỗi ADN dài các nếp cuộn và ghim kẹp) là được thiết kế từ trước. Mỗi chuỗi ADN còn có mã riêng của chúng; các mã này có thể được sử dụng để kiểm soát cơ chế các chuỗi ADN khác nhau liên kết với nhau.
Các mã của chuỗi dài và các ghim kẹp đã được tính toán từ trước, và dựa trên những thiết kế này, các chuỗi ADN sẽ được tổng hợp và hòa trộn để tạo ra cấu trúc dự định.
Mở rộng sang các hợp chất phức tạp hơn
Cùng lúc, các nhà hoá học và khoa học vật liệu đang đạt được tiến bộ trong việc tạo ra những vật liệu khó khống chế hơn, như các loại protein và tinh thể.
Lấy ví dụ, vào một thập kỷ trước, GS Omar Yaghi, GS Michael O’Keeffe và bốn đồng nghiệp đã cho đăng tải một bản tuyên ngôn về “sự tổng hợp dạng lưới” trong tự nhiên.
Hai nhà khoa học này đã quan sát thấy các tinh thể có các cấu trúc phân tử khá cân đối, và đề xuất rằng các nhà hoá học nên thử thiết kế một cấu trúc và sau đó tạo ra các tinh thể từ mẫu thiết kế này.
Một số người đã rất nỗ lực để tạo ra một tinh thể xốp có thể làm bình đựng nhiên liệu an toàn và ổn định cho những chiếc xe chạy bằng nhiên liệu hydro. (Tinh thể xốp, với các khoang và đường dẫn có kích thước nano, không phải là những vật xa lạ: bạn có thể bắt gặp chúng trong bộ chuyển đổi khí thải của ô tô hay thậm chí trong các khay đựng cát vệ sinh của mèo).
Rất nhiều các thách thức chủ yếu về mặt công nghệ sẽ đòi hỏi những vật liệu mới với các đặc tính nhất định, cho dù là cho một loại thuốc mới, một tấm pin năng lượng Mặt Trời, một con chíp vi tính, hay lớp vỏ máy bay.
Khi chúng ta nhìn thấy những tiến bộ trong lĩnh vực dược phẩm, năng lượng, vận tải cùng năng lực tính toán, thì cuộc cách mạng vật liệu là một phần không thể thiếu của quá trình phát minh trong khoa học.
Tác giả: Gregory McColm, Đại học South Florida.
Xem bài gốc ở đây
Hoàng Sâm biên dịch
Xem thêm: