CÁC NHÀ KHOA HỌC LẦN ĐẦU TIÊN QUAY ĐƯỢC VIDEO CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC Ở MỨC ĐỘ PHÂN TỬ
Trương Ngọc Hùng
INPC - VAST, Hà Nội, Việt Nam
Lần đầu tiên trong lịch sử các nhà khoa học đã quan sát thành công diễn biến chi tiết của một quá trình hóa học. Nghiên cứu chỉ ra rằng trong mỗi quá trình hoá học, các phân tử sẽ biến đổi qua nhiều trạng thái khác nhau, điều này phù hợp với hiểu biết hiện nay của chúng ta về các quá trình hóa học. Kết quả nghiên cứu này có thể được sử dụng để phát triển các phương pháp tổng hợp hóa học với mức độ kiểm soát cũng như độ chính xác cao hơn rất nhiều so với trước đây. Từ đó những phương pháp này có thể được ứng dụng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực như phát triển thuốc và khoa học vật liệu.
“Vào năm 2007, các nhà vật lý cuối cùng cũng hiện thực hóa được một giấc mơ từ 200 năm trước - đó là có được khả năng quan sát được một nguyên tử đơn lẻ. Nhưng mọi chuyện không chỉ dừng lại ở đó. Nhóm nghiên cứu của chúng tôi còn vượt qua cả giấc mơ ấy khi lần đầu tiên tạo ra được video của các phân tử, để có thể quan sát các phản ứng hóa học diễn ra ở mức độ chi tiết chưa từng có trước đây”, giáo sư Eiichi Nakamura người đứng đầu nghiên cứu, thuộc Bộ môn Hóa học, Trường ĐH Tokyo cho biết.
Hình 1: Ảnh chất trung gian trong một phản ứng tổng hợp hợp chất MOF sau một khoảng thời gian phản ứng được chụp bằng kính hiển vi điện tử
Phó giáo sư Koji Harano, một nhà nghiên cứu trong nhóm cho biết thêm: “Những phương pháp phân tích hóa học thông thường như phương pháp phổ hay tinh thể học thường cung cấp cho chúng ta những thông tin hữu ích về đầu ra của các quá trình phản ứng. Tuy vậy, chúng chỉ là những gợi ý về những điều xảy ra trong suốt các quá trình mà thôi”.
Các trạng thái trung gian của một phản ứng hóa học phức tạp vốn dĩ rất khó khăn để nghiên cứu và thông thường có rất nhiều quá trình trung gian khác nhau xảy ra từ thời điểm bắt đầu cho đến khi kết thúc phản ứng.
Về lý thuyết, các bước trung gian riêng rẽ có thể được quan sát thấy, nhưng trong thực tế việc tách riêng các sản phẩm ở mỗi bước trung gian và xem cách chúng biến đổi theo thời gian vẫn là bất khả thi. Nhóm nghiên cứu của giáo sư Nakamura đã phải mất hơn 10 năm cho vấn đề thách thức này và trong suốt thời gian đó họ đã đi sâu phát triển một phương pháp được gọi là phổ hiển vi điện tử phân tử (molecular electron microscopy).
Hình 2: Các khung hình cắt ra từ video gốc mô tả sự sắp xếp lại cấu trúc của chất trung gian theo thời gian trong suốt quá trình tổng hợp 1 tinh thể MOF
“Đó là một vấn đề của hai phần tách biệt nhau”, giáo sư Nakamura cho biết thêm. “Ở mức độ vĩ mô, thách thức đến từ mặt kỹ thuật để kết hợp một kính hiển vi điện tử ở độ phân giải cao với một cảm biến ảnh cực nhạy có tốc độ cao nhằm tạo ra một video liên tục. Trong khi đó ở mức độ vi mô, nhóm nghiên cứu sẽ phải tìm ra một cách thức để bắt được những phân tử mong muốn và giữ chúng đúng chỗ để camera có thể ghi được hoạt động của chúng”.
Để tách rời và giữ các phân tử nhất định, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một ống nano cacbon (carbon nanotube) được thiết kế đặc biệt làm nhiệm vụ giữ một phân tử đang di chuyển đúng vị trí mong muốn, nhưng điều quan trọng là không được làm ảnh hưởng đến phản ứng hóa học đang diễn ra. Theo cách đó, mỗi bước trung gian của phản ứng sẽ diễn ra ở đầu trên cùng của ống nano, ở đó nó sẽ được giữ ở đúng điểm tiêu cự của kính hiển vi điện tử. Các dữ liệu sau đó được chuyển thành video thời gian thực của các phản ứng.
Thực tế, kế hoạch của nghiên cứu được đưa ra từ lâu nhưng nó là một thách thức thật sự với họ. Phải đến năm 2013 họ mới đạt được những kết quả đầu tiên. Từ đó đến nay họ đã phải làm việc liên tục để chuyển hóa những khái niệm đó thành một công cụ hữu ích thật sự. Thành công đầu tiên của nhóm đó là quan sát và mô tả được một phân tử dạng ống, đây là hợp chất trung gian quan trọng được hình thành trong quá trình tổng hợp các tinh thể MOF (metal – organic frameworks) – là những cấu trúc bao gồm các ion kim loại nằm ở các node và được liên kết với nhau bằng các phân tử hữu cơ. Họ cũng cần thêm thời gian một năm để thuyết phục cộng đồng khoa học rằng điều mà họ tìm ra là đáng tin cậy.
Đây vẫn chỉ là bước đầu tiên hướng đến khả năng cải thiện độ chính xác và mức độ kiểm soát một quá trình tổng hợp hóa học. Việc quan sát từng chi tiết trong suốt tiến trình của một phản ứng hóa học là vô cùng quan trọng và cũng rất hữu ích cho quá trình reverse engineering các phản ứng hóa học một cách hiệu quả (reverse engineering là một quá trình nghiên cứu, phân tích và xác định các trạng thái trung gian riêng rẽ trong suốt phản ứng hóa học, hiểu rõ cách các phản ứng xảy ra, xác định được trạng thái nào có ảnh hưởng quyết định đến sự hình thành sản phẩm của phản ứng giúp ích cho việc cải thiện phản ứng tốt hơn). Hơn 200 năm trước, giấc mơ của các nhà khoa học là quan sát được một nguyên tử, bây giờ giấc mơ của họ là làm sao kiểm soát được các phân tử để tạo ra được những vật liệu mới ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống con người như xây dựng, y dược học…
Tài liệu tham khảo:
[1] Researchers produce first-ever videos of chemical synthesis at atomic resolution
Retrieved September 16, 2019 from: https://phys.org/news/2019-08-first-ever-videos-chemical-synthesis-atomic.html
[2] Junfei Xing, Luca Schweighauser, Satoshi Okada, Koji Harano, Eiichi Nakamura. Atomistic structures and dynamics of prenucleation clusters in MOF-2 and MOF-5 syntheses. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-019-11564-4
