Động cơ năng lượng ánh sáng nhỏ nhất trên thế giới - bước đột phá của ngành y học

Các thiết bị nano có thể thay đổi công nghệ và nền y học hiện đại nếu chúng ta có thể tìm ra nguồn năng lượng giúp chúng hoạt động tại bất cứ nơi nào. Giờ đây, các nhà khoa học tại đại học Cambridge đã xây dựng thành công động cơ nhỏ nhất thế giới chạy bằng ánh sáng. Thông tin về thiết bị mới này đã được đăng trong số báo mới trên tờ Proceedings of the National Academy of Sciences.

Được biết đến với cái tên "ANTs" (bộ chuyển đổi nano dẫn động), thiết bị mới này sẽ giúp hiện thực hóa viễn cảnh của bộ phim Fantastic Voyage từ năm 1966 với câu chuyện về một con tàu ngầm được đưa vào cơ thể của một nhà khoa học đang bị thương nặng giúp phá tan một cục máu đông trong não. Tuy nhiên, với ANTs, bạn sẽ không cần người lái điều khiển thiết bị trực tiếp.

Mô hình về con tàu đi trong các mạch máu của cơ thể

"Như một chú kiến, động cơ nano này có sức mạnh đáng kinh ngạc, dù trọng lượng của nó khá nhỏ", người đứng đầu dự án Jeremy Baumberg chia sẻ.

Về cơ bản, ANTs hoạt động dựa trên cơ chế của một chiếc lò xo. Phần trung tâm của thiết bị chứa các phân tử nano vàng được gắn kết bởi một loại gel có khả năng phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Loại gel kết dính này được đốt nóng bằng tia laser. Khi được đốt nóng, chúng phản ứng lại bằng cách đẩy hết nước ra ngoài nhanh chóng và xẹp xuống, giống như việc nén một chiếc lò xò xuống. ANTs chứa năng lượng đàn hồi khi các phân tử nano vàng bị nghiền nát cùng với nhau.

Khi thiết bị lạnh trở lại, loại gel kết dính sẽ hút nước và trở lại trạng thái ban đầu, giúp giải phóng năng lượng được tích trữ để bắn ra các phân tử vàng ra với lực lớn.

Tác giả của dự án Tao Ding chỉ ra mối tương quan giữa hiệu ứng này với một vụ nổ. “Chúng ta có hàng trăm quả bóng vàng bay lơ lửng trong một phần triệu giây khi các phân tử nước thổi phồng chất polymers xung quanh chúng”, ông phát biểu trong một tuyên bố.

Hiệu ứng nổ được tạo thành do lực giữa các phân tử nước, có tên gọi Van der Waals. Những lực này thường không đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống hàng ngày, nhưng với các phân tử nano rất nhỏ, chúng lại có ảnh hưởng lớn. Một ví dụ đơn giản là việc thằn lằn có khả năng bám vào tường do hàng tỉ các cấu trúc lông tại bàn chân giúp cảm nhận những lực này.

Hình ảnh minh họa cho phân tử vàng

ANTs chuyển hóa năng lượng được tạo nên từ sự hấp dẫn giữa các phân tử kim loại nặng thành các năng lượng đàn hồi để tạo ra một máy biến năng thật sự. Tuy nhiên, để tạo ra một bộ dẫn động thực sự, các nhà nghiên cứu cần tìm ra cách để hướng các lực vào một thứ gì đó hoạt động như piston trong động cơ hơi nước.

Trong khi thiết bị nguyên mẫu sử dụng các phân tử vàng, các kim loại khác cũng có thể được sử dụng thay thế như bạc, nikel hay đồng.

“Vàng được lựa chọn bởi vì nó có màu sắc dễ phân biệt và định hướng”, Baumberg chia sẻ với Gizmodo. “Nó giống như một cái thước kẻ với các mức đo tính bằng nanomet”

Với những ứng dụng thực tế, ANTs có thể thực sự vận hành các robot nano siêu nhỏ trong tương lai không xa. Chúng có thể được sử dụng trong việc đưa thuốc trực tiếp vào trong cơ thể hay phẫu thuật bên trong. Trong tương lai gần, nhóm nghiên cứu từ đại học Cambridge đang cố gắng thực hiện mục tiêu đơn giản hơn bằng cách chế tạo các van điều khiển cho các con chip kênh dẫn vi lưu – thiết bị được sử dụng trong việc chẩn đoán và các cảm biến sinh học.

“Với việc không sử dụng các dây dẫn điện, chúng ta có thể gắn nhiều thứ lên một con chip nhỏ”, Baumberg nói.