Khám phá những bí ẩn về cấu trúc của vật chất

Trung bình ở những nước phát triển (như  Mỹ, EU..) người ta bỏ ra 35,5 giờ /tuần để xem TV, bằng số giờ làm việc chính thức, trong đó đa phần hiện nay là màn hình LCD – năm 2013 có đến 230 triệu TV màn hình LCD được tiêu thụ trên thế giới. Năm nay, khi người ta dán mắt vào LCD của TV nghe công bố rằng Đại hội đồng Liên Hiệp Quốc chọn năm 2014 là năm của Tinh thể học, và hỏi nhau Tinh thể là cái gì mà quan trọng vậy thì xin trả lời rằng quý vị đang dán mắt vào tinh thể đấy, lâu rồi quen gọi là LCD mà ít ai nhớ đó là chữ viết tắt của cụm từ Màn hình Tinh thể lỏng (Liquid Crystal Display). 

Vai trò của ngành X-quang tinh thể học

Hai ngàn năm trước, những người thuộc các nền văn minh cổ đại Ấn Độ và Trung Quốc đã hiểu biết quá trình kết tinh đường và muối. Kể từ đó, việc nghiên cứu cấu trúc bên trong và tính chất của các tinh thể có sẵn trong tự nhiên đã đạt được những tiến bộ vững chắc, tạo cho chúng ta những hiểu biết sâu sắc về sự sắp xếp của các nguyên tử ở trạng thái rắn, dẫn đến những tiến bộ khoa học của vật lí chất rắn, hóa học, sinh học, y học và thậm chí toán học. Nhưng phải tới những năm đầu thế kỷ 20, nhờ việc phát hiện rằng tia X có thể được sử dụng để “nhìn thấy” cấu trúc của vật chất mà không phá hủy chúng, con người mới hình thành và phát triển một ngành khoa học hiện đại về tinh thể - khoa học về sự sắp xếp của các nguyên tử trong chất rắn. Ngành X - quang tinh thể đã cho phép chúng ta nghiên cứu các mối liên kết hóa học gắn kết các nguyên tử với nhau, giúp các nhà tinh thể học mô phỏng hoặc thay đổi một cấu trúc để thay đổi thuộc tính và tính chất của các loại vật chất.

Năm 2014 đánh dấu một trăm năm ngày ra đời X-quang tinh thể, khi giải Nobel Vật lý 1914 được trao cho Max von Laue – người Đức do đã khám phá ra sự nhiễu xạ của tia X qua tinh thể. Sang năm 1915, Nobel Vật lý được trao cho hai cha con William Henry và William Lawrence Bragg, người Anh, do đã phát minh ra công thức nhiễu xạ tia X nổi tiếng, sau này gọi là Định luật Bragg về nhiễu xạ tia X , cho phép dùng tia X để xác định ra sự sắp xếp của nguyên tử trong tinh thể. Lúc được trao giải Nobel, Lawren Bragg (con) mới 25 tuổi và cho đến nay giữ kỷ lục là người đoạt giải Nobel trẻ nhất. Trước đó, W. Roentghen (Đức) được trao giải Nobel Vật lý năm1901 do đã phát minh ra tia X, và là đó là lần trao giải Nobel đầu tiên trên thế giới. Năm 2014 này cũng kỷ niệm kỷ niệm 50 năm của một thành tựu khoa học nổi tiếng khác, khi giải Nobel Hóa học được trao cho bà Dorothy Hodgkin (Anh) với công trình dùng tia X xác định ra cấu trúc của vitamin B12 và penicillin. Xa hơn nữa, năm 2014 là kỷ niệm 400 năm phát kiến  của Kepler về các dạng đối xứng của tinh thể nước đá, mở đường cho những nghiên cứu rộng lớn hơn về vai trò của tính đối xứng trong vật chất.

Kể từ khi tìm ra được những phương thức này, tinh thể học đã trở thành cốt lõi của khoa học kết cấu vật chất. Hoàn toàn không quá lời khi nói rằng Tinh thể là dạng định hình vật chất cho hầu hết mọi thứ của thế giới quanh ta, thầm lặng làm nền tảng cho mọi thứ, từ hạt đường, hạt muối đơn sơ, từ thanh sắt, cục gạch cho đến trang sức quý giá như hồng ngọc, kim cương.

Ngay cả các tế bào, các chuỗi DNA cũng như gene của cơ thể ta và mọi sinh vật cũng đều liên quan tới tinh thể học. Không có tinh thể cũng như hiểu biết về tinh thể thì không có bóng bán dẫn, mạch vi điện tử, máy tính , điện thoại , TV … ngày nay. Nó thấm vào cuộc sống hằng ngày của chúng ta và tạo thành xương sống của những ngành công nghiệp thời thượng, tạo ra sản phẩm dựa vào tri thức mới để phát triển. Nó cũng là nền tảng trong nhiều lĩnh vực truyền thống, từ nông nghiệp, thực phẩm, hàng không, ô tô, mỹ phẩm và máy tính cũng như các ngành cơ khí, luyện kim, điện, điện tử, đến cả những ngành như dược phẩm, ngành công nghiệp khai thác mỏ...

Cấu trúc ảnh hưởng tới thuộc tính của vật chất như thế nào?

Đơn tinh thể Silicon nuôi bằng phương pháp Czochralski, dài 2m, đường kính 45cm (trên). Cắt thành hàng ngàn các phiến (wafer) độ  dày chỉ 0,25mm (dưới), mỗi phiến đủ để chế tạo ra hàng ngàn tỷ Transistor trong mạch tích hợp rất lớn VLSI.

Thí dụ điển hình cho sự đối xứng tinh thể làm thay đổi tính chất của vật liệu là sự khác nhau một trời một vực giữa kim cương và than chì (Graphite). Cả hai đều cấu tạo bởi các nguyên tử Carbon (than). Nhưng kim cương là vật liệu trong suốt, cách điện và cứng nhất trong mọi loại vật liệu. Than chì thì đen sì, dẫn điện và mềm đến mức có thể dùng làm đầu bút chì, ấn nhẹ cũng bị tách ra, để lại vạch bút chì trên giấy. Nhờ có nghiên cứu Tinh thể học Tia X, người ta mới biết cấu trúc vật chất đã làm nên những khác biệt này. Các nguyên tử carbon trong tinh thể kim cương sắp xếp theo kiểu đối xứng hình lập phương, nhóm không gian Fd3m, khoảng cách đều nhau, còn trong tinh thể than chì thì các nguyên tử các carbon sắp xếp đối xứng theo hình lục giác, nhóm không gian C63/mmc, thành từng lớp với khoảng cách khác nhau. Nguyên tử than, tức carbon, có ở khắp nơi, nhưng cơ hội để than trở thành kim cương trong tự nhiên thì vô cùng hiếm, chỉ xảy ra trong quá trình kiến tạo địa chất đặc biệt, ứng với nhiệt độ và áp suất siêu cao thích ứng, cho nên kim cương tự nhiên thuộc loại trang sức quý và đắt nhất thế giới. Tuy nhiên, nhờ có hiểu biết tinh thể học, con người đã tạo được ra những điều kiện để nuôi trồng kim cương nhân tạo, thậm chí từ tro cốt của người quá cố (cũng là than). Do đó, kim cương nhân tạo có những phẩm chất tương tự như kim cương tự nhiên, ngày nay đã được dùng phổ biến trong công nghiệp (như dao cắt, đá mài, lớp phủ siêu cứng…) dân dụng và, trang sức…

Cũng nhờ có tinh thể học mà con người đã nuôi trồng được những tinh thể lớn, không tì vết, không tạp chất của các chất Ge, Si, GaAs, Ngọc Saphir, thạch anh… để làm vật liệu cho công nghệ vi điện tử, Laser, quang điện tử, cab quang… Những tinh thể như vậy không thể tìm thấy trong tự nhiên.

Vào những năm 1950, Crick và Watson tìm ra được cấu trúc xoắn kép của DNA, đó là một bước nhảy khổng lồ trong khoa học nghiên cứu sự sống. Hai nhà khoa học này đã được tặng giải thưởng Nobel Y học năm 1962. Cấu trúc này được tìm ra nhờ sử dụng ảnh nhiễu xạ tia X do Rosalind Franklin thực hiện năm 1952. Tuy nhiên khi xác định cấu trúc này (1953), Crick và Watson đã sử dụng kết quả của R. Franklin mà bà không hề hay biết, nên đã không tránh khỏi lời ra tiếng vào lúc bấy giờ. Sau đó, nhờ có kỹ thuật ngày càng tốt hơn về tạo hình ảnh và xử lý dữ liệu, các nhà tinh thể học  đã xác định chính xác và cặn kẽ hơn các cấu trúc, cho phép tiến sâu vào phân tích các phân tử phức hợp, đặc biệt là trong thế giới sinh học.

Những ứng dụng gần đây nhất

Năm 1970, máy Synchrotron Điện tử tại phòng thí nghiệm DESY Hamburg (Đức) lần đầu tiên được sử dụng làm nguồn phát tia X để nghiên cứu tế bào cơ bắp của  côn trùng. Sự kiện này đã tạo ra một sự bùng nổ trong nghiên cứu tinh thể học.


Năm 1988, người ta đã có thể vẽ ra được ảnh cấu trúc nguyên tử của một loại Virus trên cây cà chua. Năm 1984, lần đầu tiên xác định được có một dạng chất rắn không phải là vô định hình (tức là các nguyên tử sắp xếp vô trật tự), nhưng  các nguyên tử trong đó dù được sắp xếp có trật tự, nhưng không lặp lại tuần hoàn một cách chính xác, dường như thách thức các quy tắc mà lý thuyết tinh thể đã quy định, ví dụ như xác định có đối xứng bậc 5 chẳng hạn (có ai dùng gạch hình ngũ giác đều để lát kín nền nhà được không?) Loại vật chất này được gọi là Giả tinh thể (quasicrystals). Các nhà tinh thể học cũng đã tìm được cách xác định cấu trúc của Tinh thể lỏng (Liquid Crystal), có thể gọi là trạng thái thứ tư của vật chất ngoài ba trạng thái đã biết là rắn, lỏng, khí. Đây là loại vật chất không thể thiếu trong hàng tỷ màn hình TV, điện thoại, máy tính… hiện nay.
Năm 2000 các nhà tinh thể học đã xác định được cấu trúc của Ribosome, là cỗ máy sinh học để tạo ra các protein bằng cách giải mã các mệnh lệnh chứa trong DNA.

Trước khi ngành X-quang Tinh thể học ra đời, ngay từ những năm 1830 Johann Hessen (Đức) đã xác định bằng toán học là chỉ tồn tại 32 lớp đối xứng tinh thể (32 nhóm điểm-Point Group) và năm 1891 E.S. Fedorov (Nga) đã chứng minh rằng chỉ có 230 cách  sắp xếp của nguyên tử trong tinh thể, gọi là 230 nhóm không gian (Space Group). Đó là thành quả của ngành Tinh thể hình học, chuyên tìm hiểu về quy tắc sắp xếp hình học và sự đối xứng của tinh thể. Nói đến tính đối xứng trong tinh thể có thể là trừu tượng, khó hiểu với đa số công chúng, nhưng trong thực tế lại rất quen thuộc. Hãy quan sát bông tuyết trong tủ lạnh, là tinh thể kết tinh từ các phân tử nước, chúng ta sẽ thấy sự đối xứng đẹp biết dường nào.

Đến năm 2009 thì một loại nguồn phát tia X mới siêu hiện đại được đưa vào sử dụng, Laser tia X bằng điện tử tự do (X-ray free-electron laser), hiện đang mở ra một kỷ nguyên mới về phân tích cấu trúc.

Mới đây nhất, năm 2013, các nhà tinh thể học đã chụp ra được hình ảnh 3D cấu trúc nguyên tử của Virus HIV. Đặc biệt đã tìm được cái móc mà loại Virus chết người vô phương cứu chữa này đã dùng để móc vào các tế bào, giúp giải được câu hỏi gây tranh cãi bao năm nay về cấu trúc bí ẩn của loại protein này.

Danh mục các protein cần được khám phá còn rất dài. Với nguồn tia X từ Laser điện tử tự do, hy vọng ngày càng nhiều cấu trúc phức tạp, quan trọng cho con người sẽ được khám phá.

Có thể nói rằng tinh thế học của nước ta ngày nay vẫn ở trình độ rất thấp so với thế giới, mặc dù ngành Tinh thể học và Vật lý tinh thể đã được du nhập từ khá sớm. Giáo trình Tinh thể học và Vật lý tinh thể đã được soạn và xuất bản (in roneo) từ năm 1966 [1], là giáo trình đầu tiên phục vụ giảng dạy cho ngành này tại bộ môn Vật lý Chất rắn Đại học Tổng hợp Hà Nội (nay là ĐH KH Tự nhiên thuộc ĐHQG Hà Nội). Cùng năm đó máy phân tích tia X đầu tiên do Liên Xô(cũ) viện trợ cũng được lắp đặt và vận hành tại Khoa địa chất ĐHBK Hà Nội (nay là ĐH Địa chất). Việc giảng dạy và nghiên cứu khoa học trong những năm tiếp theo về tinh thể học tiến triển khá tốt, đã có nhiều chuyên gia được đào tạo trong và ngoài nước. Tuy nhiên, mặc dù hiện nay các trang thiết bị về tinh thể học đã được hiện đại hóa, nhiều phòng thí nghiệm của Việt Nam cũng đã mua những thiết bị rất đắt tiền, tự động hóa và tin học hóa rất cao, nhưng tiếc rằng không có con người đủ trình độ và tâm huyết để khai thác sử dụng, nên đắp chiếu khá nhiều. Vì vậy, với việc tham gia kỷ niệm Năm quốc tế về Tinh thể học 2014, chúng ta hi vọng rằng các nhà khoa học, các nhà quản lý, các sinh viên… sẽ thay đổi nhận thức, để xây dựng lại một ngành khoa học công nghệ không hào nhoáng nhưng vô cùng quan trọng đối với đời sống và sự phát triển kinh tế của đất nước.