Sự thần kỳ của polymer và sứ mạng tạo ra loại vật liệu thông minh nhất hành tinh

Polymer đã thay đổi cuộc sống của nhân loại trong thế kỷ 20 nhưng bạn có biết loài người vẫn còn rất "nghiệp dư" trong việc sản xuất ra chúng. Đừng nghĩ những loại polymer mà ngày nay chúng ta xài đã là hoàn hảo! Chưa đâu, cái mà người ta muốn là tạo ra một loại polymer lấy cảm hứng từ tự nhiên và nếu đều đó thành công, con người sẽ có thêm một loại vật liệu với khả năng vô tận, không chỉ nhựa tự hủy bảo vệ môi trường, dụng cụ cấy ghép vào cơ thể mà cả DNA và "hệ miễn dịch nhân tạo" phục vụ cho quân đội,...

Sự thần kỳ của polymer và sứ mạng tạo ra loại vật liệu thông minh nhất hành tinh

Shares

Nhựa có ở quanh ta

Polymer xuất hiện ở khắp mọi nơi, nhang nhản trước mắt ta, sát bên thân ta từng phút từng giây. Thí dụ chúng ta dùng nhựa để chứa túi bún riêu mua ở ngoài về nhà, dùng hộp nhựa để lắc xoài với muối ớt, đồ chơi của trẻ con bằng nhựa, xe máy đi hàng ngày cũng có nhựa, chiếc điện thoại, chiếc máy tính và thậm chí là cái mắt kính dính trên mặt để bạn đọc bài viết này cũng bằng nhựa. Chúng ta đã nói rất nhiều về nhựa và không ngớt lời ca ngợi nó là thứ vật liệu để tạo ra vô hạn thứ hạn, góp phần quan trọng trong việc định hình thế kỷ 20 của nhân loại.

polymer_TInhte_5. Nhựa có ở quanh ta, được dùng hàng ngày, kề cận bên ta từng phút từng giây​

Chuyên sâu hơn một tí, các nhà hóa học gọi nhựa là polymer. Ý tưởng ở đây cũng khá đơn giản: chúng ta trộn rất nhiều phân tử đơn phân (monomer) lại với nhau và kết quả là các phản ứng sẽ xảy ra, các đơn phân nối lại với nhau thành một sợi dài chính là hợp chất cao phân tử polymer. Có thể hình dung chuỗi polymer giống như một đoàn tàu lửa hoặc một sợi dây xích dài thật là dài vậy.

Trước khi polymer được tổng hợp thành công, phần lớn các vật dụng hàng ngày của con người là gỗ, đá hoặc kim loại. Mãi cho tới năm 1909 thì loại nhựa tổng hợp đúng nghĩa đầu tiên là Bakelite mới được tổng hợp thành công bởi nhà hóa học người Bỉ Leo Baekeland tại New York. Bakelite được cấu tạo từ các đơn phân là formaldehyde, có thể tạo thành nhiều hình dạng khác nhau khi nóng, sau đó khi nguội lại sẽ cố định hình dạng đó. Qua thời gian, chúng ta đã dùng Bakelite trong TV, trang sức, điện thoại và xe hơi.

Tùy theo thành phần hóa học của các đơn phân cũng như độ dài của chuỗi polymer mà chúng ta có thể tạo ra vô số loại polymer với các tính chất lý hóa khác nhau. Tuy nhiên, phần lớn polymer đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới dưới các hình thức của nhựa có nhiều đơn phân với nguồn gốc từ dầu mỏ. Từ những túi nylon, những chiếc áo thun nylon, áo khoác chống thấm, nhựa điện tử,… đều có các đơn phân bắt nguồn từ dầu mỏ.

Polymer tự nhiên và tổng hợp: một trời một vực

polymer_TInhte_9.

Nhưng hãy nhớ rằng nhựa chỉ là một loại polymer tổng hợp chứa đầy khuyết điểm khi so với các loại polymer khác được bàn tay của Mẹ Thiên Nhiên nặn ra: từng cành cây ngọn cỏ ngoài kia, từng cơ quan nội tạng trong cơ thể,… mới là những loại polymer đúng nghĩa hoàn hảo. Đơn cử như những đơn phân trong tự nhiên như axit amin được sẽ hình thành nênprotein. Đây là cũng là một loại polymer nhưng nó có sự khác biệt rất lớn đối với polymer tổng hợp bởi con người.

Tự nhiên tạo ra vô số loại protein nhưng cách làm không phải là thay đổi từng đơn phân cho mỗi chuỗi với các ứng dụng khác nhau, mà bằng cách kiểm soát cực kỳ chính xác thứ tự của chuỗi đơn phân. Kết quả là tất cả mọi thứ, từ móng tay người, cơ thịt, dây chằn cho tới các enzyme tiêu hóa đều được tạo ra chỉ với 21 loại axit amin “khâu” lại với nhau theo các thứ tự và độ dài khác nhau.

polymer_Tinhte.

Đây là một “khả năng kiểm soát trình tự” độc nhất chỉ có thiên nhiên mới làm được và con người rất muốn làm chủ điều đó. Nếu con người cũng có khả năng kiểm soát điều đó thì đồng nghĩa với một cuộc cách mạng trong công nghệ sản xuất polymer sẽ diễn ra. Điều đó cho phép chúng ta có thể đặt bất cứ một nhóm nguyên tử nào vào trong đúng vị trí mong muốn. Thế nhưng, chúng ta không thể thao tác trên các axit amin khi mang nó ra khỏi môi trường ẩm ướt và ấm áp trong tế bào.

Tuy nhiên, các nhà khoa học có thể tạo ra những những đơn phân phụ với các đặc tính hóa học mạnh mẽ để thu hút những đơn phân khác, từ đó tạo thành chuỗi polymer với trình tự mong muốn. Bằng cách này, người ta có thể bắt các polymer xếp lại theo những hình dạng khác nhau, mang các đặc tính khác nhau như siêu mỏng, siêu nhẹ để làm cánh máy bay, hoặc một loại vật liệu hoàn hảo để bắt giữ và tiêu diệt độc tố từ vi khuẩn. Nếu như có trong tay khả năng kiểm soát trình tự một cách hoàn hảo như vậy, các nhà khoa học sẽ có vô số cách để ứng dụng polymer.

Các nỗ lực bắt chước tự nhiên

polymer_TInhte_4.

Tuy nhiên, mọi chuyện lại không đơn giản như vậy. Nhà hóa học vật liệu Ronald Zuckermann tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley cho biết: “Bạn không thể chỉ trộn các đơn phân lại với nhau vào trong một cái túi và nói nó “dính lại với nhau đi các em” được bởi lẽ khi đó, cái bạn nhận chỉ là một chuỗi các đơn phân ngẫu nhiên.” Qua nhiều năm, các nhà hóa học đã học được cách đính từng đơn phân lại với nhau theo cách mà họ muốn.

Dù vậy, điều đó chỉ thực hiện được với từng kết nối vốn mất nhiều giờ liền để hoàn thành và phải thực hiện trong điều kiện thuần khiết, nghiêm ngặt một cách vô cùng cẩn thận. Trong một chuỗi polymer có hàng ngàn cái như vậy và việc tạo nên một chuỗi như ý gần như là bất khả thi. Và có lẽ cho tới hiện tại, thành tựu mà con người đạt được gần với tự nhiên nhất chính là các block copolymer (polymer có 2 đơn vị tái lặp nhau trong mạch).

Nói cách nôm na thì copolymer giống như một đoàn tàu lửa tạo thành từ 6 toa tàu đỏ (thí dụ), theo sau đó là 6 toa tàu xanh và cứ tiếp tục như vậy. Một trong những loại copolymer phổ biến hiện nay chính là Lycra – còn gọi là spandex, là loại vải thun dùng để may quần bó, mịn, co giãn tốt, bạn nào mặc quần legging có thể sẽ biết loại thun này. Tuy nhiên, theo giáo sư Zuckermann và các nhà khoa học khác thì hiện nay khoảng cách giữa polymer sinh học và nhân tạo đang ngày càng xích lại gần hơn.

polymer_TInhte_1. Quần legging, quần bó, quần áo lót, thun 4 chiều,… được tạo ra từ một dạng cao cấp hơn của polymer là spandex​

Zuckermann cho biết: “Chúng ta có lẽ đã đi lệch đường. Nhưng vẫn còn đâu đó một miền đất đầy quả ngọt mà chưa ai khám phá tới.” Và ông cùng các nhà nghiên cứu khác đã và đang đi tìm ra một biện pháp kiểm soát được cấu trúc của polymer giống như tự nhiên. Hồi năm ngoái, Zuckermann đã cùng với giáo sư Santa Barbara, Gutekunst và một số nhà nghiên cứu tại Đại học California phát triển cách tạo nên vòng “siêu đơn phân”, bên trong có chứa các đơn phân đã được sắp xếp theo thứ tự nhất định nhằm cho đặc tính mong muốn, sau đó mới cho phản ứng polymer hóa.

polymer_TInhte_7. Kỹ thuật dùng vòng siêu đơn phân của Zuckermann để tạo ra polymer có trình tự mong muốn ​

Gutekunst cho biết cách làm này sẽ giúp thay đổi cấu trúc, thứ tự của polymer dễ dàng hơn trước đây. Đồng thời, thay vì phụ thuộc vào đặc tính vốn có của các vòng, ông có thể sử dụng thêm những chất xúc tác để kích hoạt quá trình polymer hóa. Theo Gutekunst, kỹ thuật này ví như việc tái lập trình các đơn phân, cho phép ông có thể tạo nên những loại polymer có thể kiểm soát được trình tự, cuối cùng là tạo thành các polymer mang đặc tính mong muốn, thí dụ như một loại nhựa có thể tự hủy khi gặp đúng điều kiện.

Chỉnh được cấu trúc nhưng chưa thể kiểm soát độ dài: khó khăn chồng chất

Mặc dù vậy, phương pháp của nêu trên vẫn chưa hoàn thiện. Theo ý kiến của nhà hóa học Jeremiah Johnson tại MIT thì “Mặc dù những loại polymer này có thể xác lập được trình tự, nhưng độ dài của chúng vẫn chưa kiểm soát được.” Trong khi đó, khi một cơ thể sống sinh ra protein, nó sẽ tạo nên những polymer với độ dài giống nhau, trình tự giống nhau và đảm bảo các loại protein này có thể gấp lại thành những hình dạng giống y như nhau, từ chức năng của chúng hoàn toàn như nhau. Tuy nhiên khi con người nuôi cấy polymer nhân tạo thì các chuỗi lại có độ dài ngắn khác nhau. Và do đó, vẫn chưa thể kiểm soát được hoàn toàn đặc tính và chức năng của vật liệu.

polymer_TInhte_6. Kỹ thuật tạo ra chuỗi polymer có độ dài như ý phát triển bởi Johnson​

Được biết Johnson cũng đang phát triển quá trình tạo ra polymer có thể tùy chỉnh được bằng cách cho thực hiện nhiều phản ứng polymer hóa song song. Thí dụ như trong một bình chứa 1 bạn tiến hành ghép 2 đơn phân A và B lại với nhau, trong một bình khác thì 2 đơn phân C và D được cho polymer hóa. Sau đó, một nửa bình mỗi bình được lấy ra và đổ qua cho nhau nhằm tạo thành polymer ABCD, sau đó lại tiếp tục đổ qua lại như thế để tạo nên ABCDABCD. Cách làm này cho phép tạo ra một chuỗi polymer chính xác cả về độ dài lẫn thứ tự trong cùng một chu kỳ.

Johnson thừa nhận mặc dù còn nhiều hạn chế nhưng ông có thể thực hiện liên tục nhiều phản ứng để nhanh chóng tạo thành hàng chục gram vật liệu và đây chính là thành công lớn nhất trong nghiên cứu của ông. Và qua đó, ông cho rằng đây chính là minh chứng cho tiềm năng thay đổi hoàn toàn của ngành công nghiệp nhựa trong tương lai.

Muốn bắt chước tự nhiên, hãy bắt đầu từ tiến hóa

Johnson cho biết: “Thậm chí chúng ta vẫn chưa biết được tính chất cơ học của polymer thay đổi thế nào nếu thay đổi thứ tự sắp xếp các đơn phân của nó: liệu nó sẽ đàn hồi hơn, mềm đi hay cứng lên?” Nguyên nhân là do người ta vẫn chưa tạo ra đủ loại polymer có kiểm soát đơn phân để khảo sát đặc tính lý hóa của chúng và trả lời cho các câu hỏi trên. Cho tới nay, điều mà Johnson biết được rằng chỉ với một tinh chỉnh nhỏ trong câu trúc từ ABAB sang AABB đã thay đổi điểm chuyển đổi từ lỏng sang rắn của polymer tới 10 độ.

polymer_TInhte_2. “Con robot nano” mô phỏng cách thức của riboxom để tạo ra chuỗi polymer với trình tự có kiểm soát​

Đây đã là một cuộc cách mạng? Còn có nghiên cứu của các nhà hóa học khác nữa. Tế bào của chúng ta có chứa “những cỗ máy khâu” gọi là riboxom với nhiệm vụ gắn các axit amin lại với nhau theo một trình tự định trước trong thời gian chỉ vài giây. Lấy cảm hứng từ đặc tính này, David Leigh tại Đại học Manchester, Anh Quốc đã phát triển nên những cỗ máy phân tử để tạo nên polymer giống như cách tiếp cận của riboxom.

Hồi năm 2013, Leigh và các đồng nghiệp đã công bố một cỗ máy riboxom nhân tạo – bản chất là vòng phân tử với kích thước nano đã được lập trình để di chuyển, thu thập và lắp ghép các khối đơn phân lại với nhau. Tuy nhiên giới hạn của “cỗ máy” này là chỉ tạo ra được các polymer chứa 3 loại đơn phân và quan trọng hơn, nó làm việc cực kỳ chậm. Hồi tháng 12 năm vừa rồi, Leigh công bố thêm một “dây chuyền” lắp ghép polymer, tạo thành từ nhiều “cánh tay robot” kích thước nano. Tuy nhiên, hiệu suất của nó vẫn chưa được công bố.

Những cỗ máy tổng hợp DNA nhân tạo

Ý tưởng của leigh là có khả năng thực hiện được nếu vay mượn thêm cơ chế tự nhiên là DNA. DNA là một “tấm giấy hướng dẫn sử dụng” mà riboxom dùng để tạo nên các protein. Dựa theo cách làm này, giáo sư Rachel O’Reilly tại Đại học Warwick đã phát triển thành kỹ thuật polymer hóa hoàn toàn mới. Ý tưởng của bà là đính các đơn phân vào một phần nhỏ của một cặp sợi DNA cơ sở có nhiệm vụ hướng dẫn. Mảnh DNA này sẽ hoạt động như một cỗ máy mắc mạch, đẩy các đơn phân đến một nơi cụ thể trên sợi DNA khác dài hơn. Sau khi các đơn phân đã được gắn kết với nhau, những thứ khác sẽ được tháo bỏ ra.

polymer_TInhte_8.

Bằng cách này, O’Reilly đã có thể tạo rao những sợi polymer theo ý muốn với các trình tự khác nhau trong cùng một khu vực phản ứng. Đây được ví như bước đệm cho quá trình hình thành nên một thư viện các loại polymer được sắp xếp trình tự.

Khi có trong tay “quyển từ điển” này, các nhà khoa học sẽ dần hiểu được cần phải tạo nên loại polymer với cấu trúc như thế nào để đạt được tính chất mong muốn. O’Reilly cho biết: “hãy tưởng tượng nếu bạn có thể tạo ra được polymer nhân tạo có khả năng sao chép hoặc tiến hóa. Chúng ta đã tạo ra được các chuỗi axit amin với tình tự định trước để tác động vào enzyme, từ đó tạo ra hiệu quả chữa bệnh. Suy cho cùng, quá trình tiến hóa dần dần chính là cách mà thiên nhiên có thể tạo ra được polymer hoàn hảo như hiện nay.

Tuy nhiên, không chỉ có O’Reilly mà thật ra từ những năm 1950, các nhà hóa học đã bắt nghĩ tới những cỗ máy có thể tự động tổng hợp DNA. Các nghiên cứu đó bao gồm cả các đơn phân của DNA đã được phủ hóa chất ở một đầu (DNA bảo vệ), khiến nó không thể ghép thêm các mắt xích vào để tăng độ dài của DNA. Đồng thời, lớp phủ này có thể được vô hiệu hóa (DNA hủy bảo vệ) theo ý muốn của con người. Bằng cách này, họ có thể tạo ra những sợi DNA với độ dài đúng như mong muốn. Tuy nhiên nhược điểm của cách làm này là rất tốn thời gian.

Việc phát triển nên phương pháp tổng hợp nên loại polymer hoàn hảo là cách mà các nhà khoa học tỏ lòng tôn kính với tự nhiên. Tuy nhiên, phương pháp bảo vệ và hủy bảo vệ một đơn phân bằng cách xử lý hóa chất một đầu dính của nó không phải là chuyện đơn giản. Tuy nhiên, điều đó không phải là quá bây khả thi. Hồi năm 1992, Zuckermann đã bắt đầu thử nghiệm phương pháp tạo ra polymer gọi là “peptoid”, một loại protein đã qua xử lý hóa chất để hoạt động mạnh bên ngoài tế bào.

Các chuỗi polymer có “trí nhớ”, dùng làm cảm biến cảnh báo vũ khí hóa học​

Sau nhiều thập kỷ nghiên cứu phương pháp tạo ra nhiều trình tự khác nhau, Zuckermann đã tạo ra được những loại peptoid có khả năng gấp thành tấm. Sau đó, ông dùng những hóa chất khác nhau rắc lên các tấm peptoid nhằm biến nó thành những cảm biến hữu dụng. Được biết, ông đã báo cáo nghiên cứu này với Bộ quốc phòng Mỹ để phát triển nên hệ thống cảnh báo sớm vũ khí hóa học:

“Chúng ta cần một hệ thống vừa mạnh mẽ và linh hoạt như protein, vừa tồn tại được trong các môi trường không thích hợp. Nếu đạt được, chúng ta sẽ tạo nên những bộ quần áo quân sĩ với khả năng nhận biết sớm dấu hiệu của vũ khí hóa học, không chỉ cảnh báo mà thậm chí là phản ứng lại với các chất độc như một hệ miễn dịch nhân tạo.”

Các nhà khoa học từ lâu đã hình dung nên một thế giới tương lai của loại polymer hoàn hảo: đó không chỉ là những món hàng hóa bạn thấy mỗi ngày, mà còn là những siêu vật liệu tối ưu cho từng ứng dụng chuyên ngành. Chưa hết, còn nhiều ứng dụng khác mà chúng ta không thể tưởng tượng tới về loại polymer hoàn hảo. Nhà hóa học Jean-François Lutz tại Viện nghiên cứu Charles Sadron, Pháp cho rằng có thể dùng loại polymer đã kiểm soát trình tự như một nơi lưu trữ thông tin.

Từ nhiều thập kỷ nay các nhà khoa học đã nghĩ tới DNA như một loại vật liệu thần kỳ để lưu trữ thông tin. Theo đó, toàn bộ thông tin của nhân loại sẽ được lưu trữ trong một vậy có kích cỡ như USB thông thường. Đồng thời, nó có khả năng tồn tại trong hàng ngàn năm mà vẫn đảm bảo độ chính xác, tuyệt đối an toàn để lưu trữ dữ liệu. Tuy nhiên, khó khăn lại nằm ở chỗ là DNA cực kỳ mong manh và rất khó để thao tác kiểu “đọc ghi” giống như ổ cứng ở môi trường bên ngoài.

Hồi năm ngoái, Lutz tuyên bố đã có thể tạo nên một chuỗi polymer với trình tự định trước chứa 100 đơn phân trong vòng 12 giờ đồng hồ. Theo ông, đây là một kỳ tích và con số 12 giờ đã là nhanh nhất hiện nay. Tuy nhiên, đó vẫn chưa là gì so với cái mà các nhà khoa học khoa khát đạt được. Và đó cũng chỉ là 1 vài trong số vô hạn ứng dụng của polymer hoàn hảo sẽ tạo ra cho con người trong tương. Nhưng bây giờ, các nhà khoa học nghĩ rằng vẫn còn chưa có gì, tất cả chỉ mới là sự khởi đầu trong nỗ lực tạo nên loại vật liệu thông minh nhất của tự nhiên.

Nguồn Tinhte

Đất Việt là nơi tự do bày tỏ ý kiến, không có chế độ kiểm duyệt. Rất mong nhận được ý kiến của độc giả.