Cách mạng công nghệ nano và những cỗ máy siêu nhỏ

Giải Nobel Hóa học năm 2016 được trao cho bộ ba nhà khoa học - Sir Fraser Stoddart, Ben Feringa và Jean-Pierre Sauvage - sáng chế thành công cỗ máy nhỏ nhất trên thế giới.

Sáng chế tưởng như chỉ có trong các bộ phim khoa học viễn tưởng này lại là khởi đầu đầy hứa hẹn cho nhiều lĩnh vực khoa học quan trọng như y học, công nghệ vật liệu và năng lượng. Có thể nói, mọi thứ "lớn lao" đều bắt đầu từ những thứ "nhỏ nhất".

Tham vọng công nghệ nano

Phía sau những sản phẩm tí hon là cả những tham vọng lớn lao được nung nấu từng ngày. Và cần phải có cả một nỗ lực phi thường để có thể phát triển một cỗ máy có kích thước được tính bằng đơn vị nano - nhỏ hơn bề dày của sợi tóc người đến 1.000 lần.

Xe ô tô nano được phát triển thành công bởi nhóm nghiên cứu của Bernard Feringa.
Xe ô tô nano được phát triển thành công bởi nhóm nghiên cứu của Bernard Feringa.

Có thể nói, quá trình phát triển những chiếc máy có kích thước bằng phân tử không thể chỉ tóm tắt ngắn gọn ở sự đóng góp của riêng một người hay một phát kiến khoa học vĩ đại nhất định.

Song, bài phát biểu vào năm 1959 của nhà vật lý nổi tiếng Richard Feynman trong hội nghị Hội Vật lý Mỹ - được tổ chức tại California - có thể được xem là một cột mốc đáng chú ý trong cả tiến trình phát triển của những cỗ máy siêu nhỏ. Bài phát biểu về "nhiều chỗ trống ở cấp vi mô" của Richard Feynman ngày hôm đó đã trở thành "bản tuyên ngôn" mở đường cho sự phát triển công nghệ nano.

Trong bài phát biểu nổi tiếng này, Feynman tiên đoán ứng dụng được mong đợi nhất của những cỗ máy siêu nhỏ chính là robot phẫu thuật siêu nhỏ và thiết bị vận chuyển thuốc cục bộ trong cơ thể.

Tại hội nghị, Feynman trình bày: "Mặc dù đây là một ý tưởng rất ngông cuồng nhưng mọi thứ sẽ thật thú vị đối với khoa phẫu thuật nếu như bạn có thể nuốt cả một "nhà phẫu thuật" vào cơ thể. Ví dụ, sau khi được đưa vào mạch máu, "nhà phẫu thuật" sẽ đi thẳng đến quả tim để thăm khám và từ đó sẽ phát hiện được van tim nào bị hỏng rồi tự lấy ra một con dao siêu nhỏ để sửa chữa nó".

Không lâu sau đó, ý tưởng thú vị này được các nhà làm phim khoa học viễn tưởng nhanh chóng tiếp thu và bộ phim Fantastic Voyage (Tạm dịch: Hành trình kỳ thú) được ra đời vào năm 1966. Trong phim, một đội thủy thủ tàu ngầm bị thu nhỏ và tiêm vào cơ thể của một nhà khoa học để cứu sống ông ta!

Trong bài phát biểu của mình vào năm 1959, Richard Feynman đặt nền móng cho ngành công nghệ nano.
Trong bài phát biểu của mình vào năm 1959, Richard Feynman đặt nền móng cho ngành công nghệ nano.

Tuy nhiên trong suốt 50 năm sau đó, các nhà khoa học vẫn hoàn toàn thất bại trong việc biến ước mơ viễn tưởng này thành hiện thực. Nhưng dù thế nào đi nữa, họ vẫn hy vọng một ngày nào đó sẽ có một cỗ máy tí hon có khả năng đưa các loại thuốc hóa trị cực độc thẳng đến ngay khối u mà không gây hại gì đến những tế bào khỏe mạnh bình thường xung quanh.

Một trong 3 nhà khoa học đoạt giải thưởng Nobel Hóa học danh giá năm 2016, Sir Fraser Stoddart, chia sẻ: "Vấn đề là sự đột phá trong khoa học không thể xuất hiện sau một đêm. Cần cả một thời gian rất dài và hàng trăm nhà nghiên cứu với trình độ sau tiến sĩ cực kỳ tài năng".

Thật ra, vào thời điểm Richard Feynman nghĩ đến việc điều khiển những vật chất có kích thước siêu nhỏ, các nhà hóa học đã chuẩn bị sẵn những nền tảng cơ bản cho quá trình nghiên cứu táo bạo như thế. Trong những năm của thập niên 1950 và 1960, các nhà khoa học vẫn cố gắng liên kết những chất hóa học có cấu tạo đặc biệt với nhau thành chuỗi với mục tiêu tạo ra một phân tử mới. Song, những bước tiến đầu tiên đã bị lu mờ khi các nhà khoa học chỉ cố vật lộn trong việc tạo ra đủ lượng phân tử mới nhằm tìm ra hướng điều chỉnh phương pháp tổng hợp phức tạp của họ.

Ứng dụng robot nano trong ngành y không còn là chuyện viễn tưởng.
Ứng dụng robot nano trong ngành y không còn là chuyện viễn tưởng.

Cho đến năm 1983, một nhóm nghiên cứu người Pháp được dẫn đầu bởi Jean-Pierre Sauvage - một trong số 3 nhà khoa học đoạt giải Nobel Hóa học năm 2016 - đã tạo ra một bước tiến có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Sauvage liên kết hai phân tử với nhau, bao quanh một ion đồng ở giữa, tạo nên mắt xích đầu tiên trong chuỗi các phân tử. Về cơ bản, thành công lần ấy của Sauvage đã giúp các nhà hóa học hoàn thành mục tiêu dang dở.

Tiếp đó, Sir Fraser Stoddart thúc đẩy lĩnh vực nghiên cứu này khi tổng hợp thành công một chiếc gậy nano với những chiếc nút ở đuôi được bao quanh bởi những phân tử hình tròn. Sir Fraser giải thích: "Những vòng tròn này được dùng để di chuyển lên xuống giữa hai điểm. Bạn có công tắc bật và tắt để từ đó có thể tạo nên một chiếc máy thật sự".

Những phân tử này được gọi là rotaxane, là cấu thành cơ bản của hàng loạt chiếc máy nano được chế tạo bởi Sir Fraser và những đồng nghiệp của mình. Trong đó phải kể đến một chiếc "thang máy nano" có khả năng tự nâng lên độ cao 0,7 nano mét so với bề mặt và một cơ bắp nhân tạo siêu nhỏ với cấu tạo bằng các rotaxane bẻ cong một lá vàng mỏng.

Thêm vào đó, sau khi làm việc cùng Giáo sư Jim Heath, Đại học California Los Angeles (UCLA), Sir Fraser bắt đầu phát triển một chip điện tử siêu nhỏ. Mặc cho trước đó định luật Moore - được đưa ra bởi Gordon Moore, nhà đồng sáng lập Intel - dự đoán rằng số lượng bóng bán dẫn trong một mạch tích hợp sẽ tăng lên gấp đôi sau mỗi chu kỳ 2 năm.

Tuy nhiên, có một số nghiên cứu cho rằng định luật nổi tiếng này thực ra đã "lỗi thời" khi mà những bóng bán dẫn có thể đáp ứng công suất hoạt động ngày càng lớn của các thiết bị điện tử hiện nay. Sir Fraser giải thích: "Vào khoảng năm 2007, chúng tôi đã tạo ra một chip nhớ 160 kilobit. Vấn đề duy nhất chỉ là chúng không được bền. Ngày nay, chúng tôi đang cố tìm cách nâng tuổi thọ của những chiếc công tắc hóa học".

Trong khi đó, giáo sư Ben Feringa Đại học Groningen (Hà Lan) và là một trong ba nhà khoa học được trao giải Nobel Hóa học 2016, phát triển thành công một động cơ phân tử đầu tiên. Đây được xem là cột mốc quan trọng trong lĩnh vực công nghệ nano.

Thông thường, các phân tử chuyển động ngẫu nhiên và thường có xu hướng di chuyển sang phải nhiều hơn. Tuy nhiên, vào năm 1999, bằng một loạt các kỹ thuật thông minh, Giáo sư Feringa và những đồng nghiệp của mình đã gặt hái thành công trong nỗ lực thiết kế một phân tử có khả năng di chuyển theo một quỹ đạo nhất định.

Đến năm 2011, từ thành công này, họ nghiên cứu phát triển thành công một xe nano 4 bánh. Theo đó, xe nano, có cấu tạo gồm một khung gầm phân tử tích hợp 4 động cơ hoạt động như những bánh xe, có khả năng tiến hoặc lùi như một chiếc ô tô.

Kỳ vọng cho những ứng dụng mang tính đột phá

Cho đến nay, rất nhiều nhóm nghiên cứu đang tiếp tục xây dựng và mở rộng thành tựu của 5 thập niên qua. Năm 2013, một nhóm nhà nghiên cứu được chỉ đạo bởi Giáo sư David Leigh, Đại học Manchester chế tạo thành công robot nano có khả năng tóm lấy các axit amin - đơn vị cơ bản tạo nên protein - và liên kết chúng lại với nhau giống hệt như chức năng của các ribosome trong tế bào.

Máy phân tử tự nâng của Fraser Stoddart.
Máy phân tử tự nâng của Fraser Stoddart.

Tuy chỉ mới là vật mẫu trong phòng thí nghiệm nhưng các nhà nghiên cứu nhận thấy được những tiềm năng của nó. Giáo sư Donna Nelson, Chủ tịch Hội Hóa học Mỹ (ACS), nhận định: "Cả thế giới dành rất nhiều sự quan tâm cho giải Nobel và họ sẽ tác động vào việc nghiên cứu. Điều đó sẽ khiến cả lĩnh vực này phát triển. Nhiều nhà khoa học sẽ nhảy vào lĩnh vực này cũng như chúng ta sẽ thu hút được nhiều nguồn tài trợ hơn. Ngày nay các bạn có thể kỳ vọng rằng những ứng dụng mới sẽ xuất hiện sớm hơn".

Ví dụ, ngành dược cũng có thể sử dụng những công tắc phân tử để hoạt hóa hoặc bất hoạt tác dụng thuốc trong cơ thể người. Đây sẽ là một bước tiến dài trong cuộc chiến chống lại ung thư, loại bệnh gắn liền với những phương pháp điều trị độc hại, cũng như trong lĩnh vực sản xuất kháng sinh.

Tiến sĩ Tibor Kudernac, cho biết: "Một trong những thách thức lớn nhất hiện nay là sự phát triển của các vi khuẩn kháng thuốc. Đây có thể là một giải pháp giúp hoạt hóa kháng sinh trong cơ thể ở một giai đoạn ngắn ngủi duy nhất khi cần thiết. Chúng sẽ hoàn toàn bất hoạt trước khi được đào thải ra khỏi cơ thể".

Con chip 160 kilobit siêu nhỏ của Sir Fraser Stoddart and Jim Heath.
Con chip 160 kilobit siêu nhỏ của Sir Fraser Stoddart and Jim Heath.

Ngoài ra, công nghệ này cũng có thể được ứng dụng trong những động cơ phân tử gọn nhẹ với khả năng biến năng lượng thành chuyển động cơ học. Hoặc, chúng ta cũng có thể ứng dụng công nghệ này trong chế tạo robot mềm, lĩnh vực đòi hỏi hạn chế sử dụng kim loại để thay thế bằng những vật liệu nhẹ và mềm dẻo hơn.

Tiến sĩ Kudernac cho biết: "Nếu cần cầm nắm một vật dễ vỡ hay nhạy cảm, có thể là cả nội tạng người trong tương lai, bạn sẽ không muốn một cánh tay robot động vào chúng. Bạn phải tiếp xúc nhẹ nhàng. Hệ thống máy móc phân tử là một trong những ứng dụng lý tưởng cho tương lai".

Hơn thế nữa, mục tiêu dài hạn của các nhà khoa học hiện nay là tạo ra một loại máy móc có thể bắt chước một hoạt động nào đó của tế bào - như phân chia tế bào chẳng hạn. Nếu thành công thì đây sẽ là bước chuyển lớn cho ngành sinh học nhân tạo, thậm chí chúng ta có thể tự tạo ra nội tạng người.

Tiến sĩ Kudernac chia sẻ: "Một trong những đặc trưng của sự sống đó là phân chia tế bào. Chúng ta muốn tạo ra một tế bào nhân tạo có khả năng tự phân chia. Hiện thời, chúng ta vẫn chưa biết phải làm thế nào với quy trình phân bào này và đó chính là thử thách tiếp theo. Khi đó, chúng ta có thể sử dụng những tế bào nhân tạo để nghiên cứu về khởi nguồn của sự sống cũng như tổng hợp những hợp chất hóa học phức tạp".

Duy Ân (tổng hợp)

Các tin khác

Cảm biến lượng tử truy tìm tín hiệu vô tuyến

Cảm biến lượng tử truy tìm tín hiệu vô tuyến

Giữa môi trường tác chiến điện từ ngày càng phức tạp, nơi hàng trăm nguồn phát tín hiệu có thể xuất hiện đồng thời trên chiến trường, quân đội Mỹ đang tìm kiếm những công cụ mới để nâng cao năng lực nhận thức tình huống. Trong nỗ lực đó, các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Lục quân Mỹ (ARL) vừa trình diễn một cảm biến lượng tử thế hệ mới có khả năng xác định hướng của trường điện từ tần số vô tuyến trong không gian ba chiều.

UAV cải tiến có thể tự “săn mồi” trong vùng gây nhiễu

UAV cải tiến có thể tự “săn mồi” trong vùng gây nhiễu

Chiến trường tương lai có thể không còn được quyết định bởi số lượng UAV, mà bởi khả năng chúng tiếp tục chiến đấu khi bị "làm mù" và "cắt đứt liên lạc". Một công bố mới từ Trung Quốc về thuật toán AI HG-STR đang thu hút sự chú ý của giới quân sự khi tuyên bố giúp bầy UAV tự phối hợp truy tìm mục tiêu trong môi trường tác chiến điện tử phức tạp.

Bóng đen sau cánh cửa 37 quốc gia

Bóng đen sau cánh cửa 37 quốc gia

Tháng 2/2026, khi Palo Alto Networks công bố báo cáo về một chiến dịch gián điệp mạng quy mô toàn cầu, Pete Renals, Giám đốc Chương trình An ninh quốc gia của Unit 42, đã dùng một so sánh rất nặng. Ông nói với Recorded Future News rằng đây có thể là vụ xâm phạm hạ tầng chính phủ toàn cầu nghiêm trọng nhất do một nhóm được nhà nước hậu thuẫn thực hiện kể từ SolarWinds. So sánh ấy không ồn ào. Nhưng ai từng theo dõi SolarWinds năm 2020 đều hiểu nó nặng đến mức nào.

EU sẽ gia nhập “mặt trận” chip AI

EU sẽ gia nhập “mặt trận” chip AI

EU dự kiến tham gia sáng kiến chip AI do Mỹ khởi xướng, đánh dấu bước dịch chuyển đáng chú ý trong nỗ lực của phương Tây nhằm kiểm soát chuỗi cung ứng công nghệ chiến lược và kiềm chế tham vọng công nghệ của Trung Quốc.

Gián rít Madagascar - trinh sát toàn năng trong tương lai?

Gián rít Madagascar - trinh sát toàn năng trong tương lai?

Công nghệ điện tử - tự động hóa và trí tuệ nhân tạo phát triển, nhiều sản phẩm viễn tưởng bước ra khỏi phim ảnh để vào đời thực. Tiên phong có gián rít Madagascar “côn trùng người máy” đầu tiên của các nhà khoa học Đức.

Số phận của chiếc MQ1-Predator

Số phận của chiếc MQ1-Predator

Nhiệm vụ chính của máy bay không người lái MQ-1 Predator là ngăn chặn và tiến hành trinh sát vũ trang chống lại mục tiêu quan trọng, dễ bị phá hủy. Khi không thực hiện nhiệm vụ chính, MQ-1 sẽ cung cấp hoạt động trinh sát, giám sát và xác định mục tiêu để hỗ trợ chỉ huy Lực lượng Liên hợp.

Thế giới không thể lơ là trước cuộc chiến chống Ebola

Thế giới không thể lơ là trước cuộc chiến chống Ebola

Một “con bệnh” từ những cánh rừng châu Phi lại trỗi dậy, gióng lên hồi chuông cảnh báo về sự mong manh của an ninh y tế toàn cầu. Virus Ebola, với tỷ lệ tử vong cao và khả năng gieo rắc nỗi kinh hoàng đang bùng phát trở lại. Một cuộc chiến mới với ngành y tế thế giới lại bắt đầu.

Nhân tố con người trong kỷ nguyên AI quân sự

Nhân tố con người trong kỷ nguyên AI quân sự

Xu hướng đưa trí tuệ nhân tạo (AI) vào lĩnh vực quân sự ngày càng tăng, nhưng cơ chế quản lý vẫn chưa rõ ràng. Dù mang lại nhiều lợi ích cho ngành tình báo và hậu cần, việc quá phóng đại năng lực AI dễ đẩy cao căng thẳng toàn cầu và gây ra những sai sót hệ thống. Trước thực trạng đó, bà Jacquelyn Schneider, Giám đốc Sáng kiến Mô phỏng Chiến tranh và Khủng hoảng tại Viện Hoover (Đại học Stanford), nhận định rằng kiểm soát an toàn từ khâu phát triển và nâng cao tư duy phản biện cho quân nhân là giải pháp cốt lõi.

Khi AI bước vào chiến trường

Khi AI bước vào chiến trường

Quân đội Mỹ đang phát triển các mô hình AI được huấn luyện dựa trên dữ liệu từ nhiệm vụ thực tế, với mục tiêu triển khai một chatbot AI (trí tuệ nhân tạo) dành riêng cho binh sĩ, cho thấy tham vọng đẩy nhanh ứng dụng AI trong quân sự.

Những bí mật không thể xóa trong dữ liệu ADN

Những bí mật không thể xóa trong dữ liệu ADN

Ngày 23/3/2025, công ty xét nghiệm gen 23andMe nộp đơn xin bảo hộ phá sản theo Chương 11 tại Tòa Phá sản Mỹ khu vực Đông Missouri. Trong vòng 24 giờ, lượng truy cập vào trang web của công ty tăng 526%. Không phải vì khách hàng muốn đọc thông báo phá sản, mà vì hàng triệu người đổ xô vào trang hỗ trợ với một mục đích duy nhất: xóa dữ liệu ADN của mình trước khi chúng bị chuyển giao trong một thương vụ phá sản. Nhưng câu hỏi mà không ai trong số họ có thể trả lời được là: liệu xóa có còn kịp không?

Bộ xương giả và 41 năm tự đánh lừa của khoa học Anh

Bộ xương giả và 41 năm tự đánh lừa của khoa học Anh

Suốt 41 năm, giới khoa học và công chúng đã đặt niềm tin vào một “sự thật” mang tên “Người Piltdown”. Vụ lừa đảo kinh điển này không chỉ phơi bày sự xảo quyệt của một cá nhân, mà còn là lời cảnh báo sâu sắc về những điểm mù của tri thức khi bị dẫn dắt bởi thiên kiến xác nhận và lòng tự tôn dân tộc thái quá.

Bom không nổ hủy diệt hệ thống điện

Bom không nổ hủy diệt hệ thống điện

Lực lượng Nga tại các khu vực tạm chiếm thuộc vùng Donetsk tuyên bố rằng, lực lượng Ukraine đã sử dụng máy bay không người lái (UAV) trang bị bom graphite (than chì) trong các cuộc tấn công ban đêm. Điều này làm dấy lên nhiều câu hỏi về loại vũ khí này, lý do tại sao chúng có thể hiệu quả, và loại máy bay không người lái nào của Ukraine có khả năng mang loại vũ khí này?

Vũ khí “Made in Japan” mở đường tiến ra thị trường toàn cầu

Vũ khí “Made in Japan” mở đường tiến ra thị trường toàn cầu

Sau nhiều thập kỷ tự ràng buộc bởi các chính sách hạn chế nghiêm ngặt, Nhật Bản đã chính thức dỡ bỏ rào cản xuất khẩu vũ khí sát thương. Bước ngoặt này mở ra vận hội mới cho ngành công nghiệp quốc phòng Nhật Bản và đưa các sản phẩm "Made in Japan" vào thị trường vũ khí toàn cầu - một thị trường mà Tokyo chưa từng thực sự đặt chân vào kể từ sau Thế chiến II.

Koral - Tên lửa đất đối không của Ukraine

Koral - Tên lửa đất đối không của Ukraine

Tên lửa đất đối không Koral (đôi khi cũng được viết là Coral) dường như đã ra mắt công chúng như một phần trong loạt hệ thống vũ khí nội địa mới của Ukraine được giới thiệu gần đây.

Những thử nghiệm độc đáo của NASA trong không gian

Những thử nghiệm độc đáo của NASA trong không gian

Các thí nghiệm trên tàu con thoi vũ trụ đã chỉ ra rằng vi khuẩn Salmonella, một nguồn gây ngộ độc thực phẩm phổ biến và đôi khi gây tử vong, trở nên độc hại hơn trong không gian. Đó là nghiên cứu được thực hiện trên chuyến bay STS-115 của tàu Atlantis năm 2006 và STS-123 của tàu Endeavour hai năm sau đó...

Báo động tình trạng ma túy xâm nhập học đường

Báo động tình trạng ma túy xâm nhập học đường

Những lọ tinh dầu nhỏ gọn, mang vẻ ngoài vô hại như dung dịch thuốc nhỏ mắt hay tinh dầu thuốc lá điện tử đang trở thành lớp vỏ ngụy trang tinh vi cho các chất ma túy thế hệ mới. Không chỉ dừng lại ở việc sử dụng, mà đau lòng hơn, nhiều em học sinh còn mua bán, tàng trữ ngay trong môi trường học đường, gióng lên hồi chuông cảnh báo về tình trạng mua bán ma túy ngày càng trẻ hóa.

Hiệu quả chuyển đổi số trong công tác tuyển sinh đầu cấp

Hiệu quả chuyển đổi số trong công tác tuyển sinh đầu cấp

Những ngày gần đây, các địa phương trên cả nước đang tất bật triển khai công tác tuyển sinh đầu cấp. Với thành phố đông dân, tập trung nhiều trường học như Thủ đô Hà Nội, công tác tuyển sinh càng được chú trọng thay đổi; từ khâu đăng ký dự thi, tra cứu thông tin đến công bố kết quả triển khai đồng bộ các nền tảng trực tuyến, mang lại sự thuận tiện và minh bạch hơn cho phụ huynh, học sinh.