Phép thần thông nhìn thấu suốt vật chất

Các vị đoạt giải Nobel đến dự tiệc tối truyền thống tại Tòa Đô chính Stockholm (10.12.2013). 28 giải liên hệ với ghi hình tinh thể, trong đó có hai giải Hóa học và Vật lý (2013). 

Từ thời cổ, các học giả đã ngất ngây về vẻ đẹp của các tinh thể do dạng đối xứng và lắm màu sắc. Các tinh thể có thể gặp bất cứ nơi nào trong thiên nhiên đặc biệt dẫy đầy trong các loại đá cũng như khoáng sản (kim cương, graphit, v.v...) hoặc dưới dạng băng tuyết, nước đá hoặc hột muối. Từ xưa người ta đã dùng toán học để nghiên cứu hình dạng của các tinh thể trong thiên nhiên.

Dùng tia X để nhìn thấu vật chất

Vào đầu thế kỷ 20, người ta bắn các tia X vào các tinh thể để “nhìn thấy” cấu trúc của vật chất. Cấu trúc nguyên tử quy định các đặc trưng hóa học và sinh học của vật chất. Các tia X có thể định được sự sắp xếp các nguyên tử và cấu trúc ba chiều của tinh thể, hình thái nổi bật của vật chất.

Các tia X được Röntgen khám phá năm 1985 và nhận giải Nobel Vật lý đầu tiên năm 1901, rồi Von Laue và cha con Bragg đã tạo ra phương pháp gọi là Ghi hình Tinh thể bằng tia X (X-ray crystallography) công dụng ngày càng kỳ diệu.

Max Von Laue

Hai cha con Bragg

Trong một cuộc trượt tuyết Von Laue nảy ra ý tưởng là khi các tia X đi xuyên qua một tinh thể; chúng có thể dội vào các nguyên tử trong tinh thể và giao thoa với nhau như là các sóng. Ở vài chỗ các sóng có thể gộp lại với nhau, ở các nơi khác loại trừ nhau. Mô hình sóng khuếch tán gom được có thể dùng để tính ra vị trí các nguyên tử đã làm tung tóe các tia X lúc đầu. Năm 1912 Von Laue chứng minh lý thuyết của ông trên một mẫu sulfat đồng. Ông nhận giải Nobel Vật lý vào năm 1914.

Hai cha con một giải Nobel. Vào năm 1913 hai cha con William Henry Bragg và William Lawrence Bragg nhận thấy các tia X có thể định được sự sắp xếp các nguyên tử và cấu trúc ba chiều của tinh thể. Qui luật Bragg giúp con người phát triển ngày càng sâu rộng mọi khoa học về thiên nhiên vì cấu trúc nguyên tử quy định các đặc trưng hóa học và sinh học của vật chất, mà tinh thể là hình thái nổi bật của vật chất. Lúc đó, Bragg con (William Lawrence) 25 tuổi là người trẻ tuổi nhất nhận giải Nobel từ trước đến nay.

Thành tựu ngoạn mục

Bức ảnh số 51 của Rosalind Franklin. Một trong những viên đá tảng thành tựu trong thế kỷ 20 là việc khám phá cấu trúc của DNA (năm 1953). Ngày nay, người ta biết rõ hơn là việc khám phá này dựa trên bức ảnh 51 mà Rosalind Franklin đã ghi hình tinh thể DNA bằng tia X. Ảnh được Maurice Wilkins lén trao cho Watson mà chủ nhân không hay. James Watson và Francis Crick, đoạt giải Nobel Sinh lý hoặc Y học năm 1962 cùng với Maurice Wilkins. Rosalind Franklin chết sớm vì ung thư buồng trứng năm 1958 mà không đoạt giải Nobel. Tiếc cho hồng nhan đa tài bạc mệnh.

Rosalind Franklin và bức ảnh số 51ghi hình tinh thể phân tử DNA

Máy synchrotron và những con vi khuẩn. Ribôsôm hiện hữu trong mọi sinh vật, là nhà máy của tế bào chế tạo ra các prôtêin. Vào năm 2000, Yonath, Steitz và Ramakrishnan công bố gần như đồng thời các thành tựu về cấu trúc ribôsôm. Giải Nobel Hóa học 2009 được trao cho họ. Cả ba đều dùng kỹ thuật hiện đại GHTT. Công đầu là của Ada Yonath. Vào cuối những năm 1970, bà quyết định dùng GHTT để khảo sát ribôsôm. Vi khuẩn Geobacillus stearothermophilus sống được ở điều kiện khắc nghiệt có ribôsôm bền chắc và được biến thành tinh thể tốt. Phải 20 năm cật lực Yonath mới định vị từng nguyên tử, ghi trọn hình ảnh của ribôsôm. Máy synchrotron có thể tạo được tia X mạnh ngang tốc độ ánh sáng, khi chạm vào tinh thể ribôsôm, các tia X văng tung tóe, ghi hàng tỉ chấm trên máy rà CCD. Dùng phần mềm đặc biệt để vẽ hình ảnh ribôsôm.

Ghi hình tinh thể ribôsôm với máy synchrotron

Một trăm năm dòng chảy

Những năm 1920 và 1960, GHTT bằng tia X thấy được một số bí ẩn của cấu trúc của sự sống do tiên phong định được cấu trúc của một prôtêin. Hai nhà nghiên cứu John Kendrew và Max Perutz nhận Nobel Hóa học năm 1962. Dorothy Hodgkin làm rõ các cấu trúc của một số phân tử sinh học: chất cholesterol (1937), penicillin (1946), vitamin B12 (1956) và insulin (1969). Bà nhận Nobel Hóa học năm 1964.

GHTT tiếp tục phát triển. Giải Nobel 1985 được trao cho Herbert Hauptman và Jerome Karle vì phát minh phương pháp mới để phân tích cấu trúc tinh thể. Nhờ vậy, nhiều cấu trúc tinh thể được tìm ra.

Còn nóng hổi. Andre Geim và Konstantin Noselor nhận giải Nobel Vật lý 2010 do nghiên cứu chất graphen. Nobel Hóa học 2011 dành cho Dan Shechtman vì khám phá các tinh thể tròm trèm (quasicrystals) - Robert Lefkowitz và Brian Kobilka được trao giải Nobel 2012 vì tìm ra các thụ thể gắn kết G. prôtêin, có nhiệm vụ điều hòa hầu hết chức năng của cơ thể con người.

Vật chất trở nên trong suốt. Khoảng mười ngàn cấu trúc tinh thể được ghi hình hàng năm. Ban đầu, người ta nhìn thấy các tinh thể rắn với sự sắp xếp các nguyên tử đều đặn; ví dụ như khảo sát các khoáng sản. Rồi khảo sát được vật chất sinh học như là các prôtêin hoặc DNA bằng cách biến chúng thành tinh thể. Việc phát triển các máy có thể phát ra ánh sáng và các tia X mạnh (synchrotron) làm cuộc cách mạng về ghi hình tinh thể trong sinh học, hóa học, vật lý, khoa học vật chất, địa chất và khảo cổ học.

Ứng dụng bao trùm

Sau 100 năm phát triển, ghi hình tinh thể bằng tia X trở thành kỹ thuật đứng đầu để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật chất, trở thành trung tâm của các tiến bộ trong nhiều lĩnh vực khoa học.

Thâm nhập vào đời sống thường ngày của chúng ta, Ghi hình Tinh thể bằng tia X là cái xương sống của công nghệ ngày càng cần các sản phẩm mới trong chế tạo xe hơi, mỹ phẩm, máy vi tính, cơ điện, dược phẩm, hầm mỏ, hàng hải, không gian và nông nghiệp.

Khoáng sản học.Từ những năm 1920, đã định ra cấu trúc nguyên tử của nhiều khoáng sản và kim loại, đã biết về sự hình thành địa chất và lịch sử địa cầu. Các máy synchrotron giúp các nhà khảo cổ xác định cấu tạo tuổi của cổ vật từ hàng chục ngàn năm, các nhà địa chất có thể định tuổi của các thiên thạch và đất đá từ mặt trăng.

Chế tạo dược phẩm phải dựa vào ghi hình tinh thể. Muốn tìm tòi thuốc mới thì trước hết phải tìm ra một phân tử nhỏ có khả năng khóa tay các prôtêin của một vi khuẩn hoặc một virút đặc hiệu tấn công tế bào người. Biết được cấu trúc chính xác của prôtêin này các nhà khoa học mới thiết kế thuốc bám vào prôtêin và vô hiệu tác dụng độc hại.

NASA đã trang bị cho vệ tinh Curiosity máy đo sự khuếch tán dùng ghi hình tinh thể vào tháng 10.2012 để phân tích các mẫu đất trên sao Hỏa. Đất trên sao Hỏa thì tương tự đất vùng núi lửa Hawaii.

Thế giới chúng ta chắc không như ngày nay nếu không có phương pháp Ghi hình Tinh thể bằng tia X.Con người có phép thần thông nhìn thấu suốt vật chất.

GS-BS. Nguyễn Chấn Hùng