Ta vừa bước gần hơn tới khả năng điều khiển vật chất theo ý muốn của mình

Ta có mấy cái danh xưng hào nhoáng như “nhà hóa học tới từ trường danh tiếng X”, bảng tuần hoàn cập nhật thêm những thành tố mới, “âm mưu” cho ta thấy Hóa học tuyệt đẹp như thế nào để dụ ta học bài, ... nhưng cuối cùng thì các nhà hóa học chẳng biết gì về các phân tử cả.

Một phần vấn đề nan giải này nằm ở chỗ họ chẳng thể thực sự điều khiển được phân tử vì chúng xoay, rung và trao đổi electron với nhau, tất cả đều ảnh hưởng tới cách chúng phản ứng với nhau và với môi trường xung quanh. Tất nhiên, các nhà khoa học biết rõ về các phản ứng hóa học ấy và vận dụng nó vào cuộc sống. Nhưng nếu ta muốn sử dụng các phân tử như những công cụ thực sự, để có thể ghép nối chúng lại như những mảnh xếp hình, thì ta cần phải thực sự “điều khiển được phân tử”.

Các nhà khoa học chưa tới được tầm cao đó, nhưng các nghiên cứu tại Viện Quy chuẩn Công nghệ Quốc gia đã thực hiện được bước đầu của chướng ngại vật này: họ đã điều khiển được hành vi của một nguyên tử đơn lẻ.

Ở mức độ cơ bản nhất, việc kiểm soát một phân tử sẽ giúp các nhà khoa học hiểu hơn về nó. “Đây là một vấn đề nan giải đã có từ lâu rồi”, Dietrich Leibfried, một nhà vật lý học từ Nhóm Tích trữ Ion NIST tại Boulder, Colorado nói. “Toàn bộ vạn vật xung quanh chúng ta đều được tạo nên từ các phân tử, nhưng ta lại khó có thể nghiên cứu kĩ càng và chính xác tuyệt đối về chúng”. Điều đó cần tới những ứng dụng thực tế.

Ví dụ, NIST giữ một bảng các thuộc tính của phân tử được cập nhật liên tục để các nhà vật lý học Vũ trụ có thể tham khảo chúng mỗi khi họ phát hiện ra được điều gì đó ở trên các ngôi sao xa xôi và các hành tinh ngoài hệ Mặt Trời “tiềm năng”. Bảng thuộc tính này chưa được hoàn thiện 100% nhưng dần dần, qua các nghiên cứu và ta có thể điền vào những khoảng trống ấy, các nhà khoa học có thể dựa vào đó để đưa ra những dự đoán chính xác hơn về việc hành tinh xa xôi kia liệu có thể có sự sống hay không?

Một khi có được khả năng điều khiển tối thượng ấy – khả năng điều khiển vật chất (dù chỉ là ở mức giới hạn), ta sẽ không chỉ có một cái nhìn rõ ràng hơn về vạn vật xung quanh ta mà quan trọng nhất là lúc ấy, con người đã có thể nắm được bí mật của Tạo hóa.

Nhưng đừng vội mừng, thử nghiệm này vẫn đang được ... thử nghiệm tiếp. Các nhà khoa học đã có thể điều khiển các nguyên tử trong môi trường chân không cực lạnh và sử dụng các tia laser, vì thế các nhà nghiên cứu tại NIST cũng xây dựng mô hình điều khiển nguyên tử dựa trên nền tảng đã có sẵn đó. Nghiên cứu của họ mới được đăng tải trên tạp chí Nature có mô tả thí nghiệm như sau:

Họ bắt đầu thử nghiệm bằng một khoang chân không – một hộp có cạnh dài 7 cm chứa một điện cực nhỏ, điện cực ấy lại mang theo một ion nguyên tử calcium có điện tích dương. Sau đó phân tử khác được đưa vào: đó là khí hydrogen đã được ion-hóa, đưa vào hộp nhỏ kia cho tới khi một thành phần khí H₂ duy nhất phản ứng với nguyên tử calcium.

Giờ đây, nguyên tử đã được ion-hóa kia và phân tử đã được ion-hóa kẹt với nhau trong khoảng không gian hẹp. Nhưng vì điện tích đối lập, chúng phản lại nhau và chính phản lực ấy khiến cho chúng rung lên – không khác gì việc bạn đưa hai đầu nam châm có cực đối nghịch lại cần nhau cả. Bên cạnh đó, những hạt vật chất ấy còn xoay, như một quả bóng tennis được ném lên không vậy.

Ngay tại lúc đó, các nhà khoa học đóng băng cặp hạt này lại. Sử dụng một tia laser năng lượng thấp chiếu vào nguyên tử calcium, làm lạnh nó rồi thông qua đó làm nó chậm lại, và vì nguyên tử calcium này được “kết cặp” với phân tử hydrogen, nên phân tử kia cũng dừng rung. Đó mới là phần đơn giản của thử nghiệm này, bởi cặp hạt được kết nối này vẫn tiếp tục quay.

“Việc xoay này của hạt là thứ khó điều khiển nhất chúng tôi phải đối mặt”, Leibfried nói. Tưởng tượng việc bạn phải ghép hai miếng Lego lại vào nhau khi chúng đang xoay vậy. Nhưng Leibfried và nhóm làm việc của mình đã biết cách dừng những hạt này lại, họ đã tìm ra cách làm được việc đó vào năm ngoái, nhờ việc sử dụng những tia laser với những tần số nhất định.

Nhưng toàn bộ công sức nghiên cứu sẽ chẳng để làm gì nếu như ta không biết những phân tử này chỉ về hướng này. Nếu như bạn muốn kiểm tra điều này trên một phân tử - bằng cách bắn một tia laser khác vào – bạn sẽ khiến cho hạt lại xoay theo chiều ngẫu nhiên. Vì thế thay vào đó, các nhà nghiên cứu tại NIST bắn một tia laser nhỏ xíu vào nguyên tử calcium khiến nó rung (chứ không xoay).

Bởi nó vẫn còn kết nối với phân tử hydrogen, họ sẽ thông qua liên kết này để đọc trạng thái của hạt thông qua cách mà các tia sáng laser phản chiếu và tán ra khi chiếu vào nguyên tử này. Quá trình này chỉ diễn ra trong vòng một mili-giây và cuối cùng, họ sẽ xem kết quả có được để kết luận xem các phân tử có hoạt động đúng ý đồ chiếu tia laser của họ hay không.

Nhưng mà làm thế để làm gì? Nếu như ta có thể điều khiển, định hướng được một phân tử, ta đã tiến gần hơn một bước tới việc kết hợp các nguyên tử và phân tử theo cách mà mình muốn, không còn phải ném một đống hạt vào trong “máy trộn” và cầu rằng Thánh Ngẫu Nhiên sẽ cho ta một kết quả như ý muốn. Hiểu một cách đơn giản, thì ta có thể ghép các miếng Lego lại theo đúng ý đồ của mình mà không phải lắc bừa để chúng tự nối vào nhau nữa.

Khi có được khả năng điều khiển vật chất này, thế giới sẽ biến thành một bộ đồ chơi Lego khổng lồ.

Hệ thống điều khiển phân tử này dựa trên mô hình từ người thầy của Leibfried, người đã từng đoạt giải Nobel danh giá ông David Wineland. Chính ông Wineland đã đặt nền móng cho việc điều khiển nguyên tử trong đồng hồ nguyên tử, dựa trên những hạt ion bị khóa trong một môi trường được kiểm soát. Nhưng không giống với đồng hồ nguyên tử - thứ đã thay đổi cách các nhà khoa học đo đếm thời gian, dẫn tới những đột phá ví dụ như công nghệ GPS, công nghệ mới này vẫn chưa thể “cách mạng hóa” được toàn bộ ngành hóa học.

Các nhà khoa học vẫn cần thời gian để hoàn thiện khả năng điều khiển này, và bên cạnh đó họ cũng chưa chứng minh được sự hiệu quả của bất kì phân tử nào khác ngoài hydrogen. Hiện tại, việc mới điều khiển được chỉ một phân tử khiến cho toàn ngành này khó như việc xây một tòa nhà Lego cao lớn với chỉ một mẩu xếp hình bé nhỏ.

Tham khảo Wired