Giải Nobel Hóa Học năm 2013
Kiều Tiến Dũng
Trong những giải thưởng Nobel thì giải Hóa Học gần gũi với ông Alfred Nobel nhất vì hồi còn sinh thời chính ông cũng là một nhà hóa học, và qua bộ môn này ông đã khám phá ra chất nổ.
Và giải thưởng Nobel về Hóa Học năm nay đã được Hàn Lâm Viện Khoa Học Hoàng Gia Thụy Điển công bố hôm qua, thứ Ba 9/10/2013, là sẽ được trao vào tháng 12 này cho 3 vị Gs Martin Karplus, Michael Levitt, và Arieh Warshel
“cho việc hình thành và phát triển các mô hình đa kích thước (multiscale models) cho những phản ứng hóa học phức tạp.”
Như thế là Hội Đồng Nobel năm nay 2013 đã dành cho cả hai ngành vật lý và hóa học những giải thưởng cho các công trình lý thuyết thay vì thực nghiệm.
**
Chung quanh đời sống con người chúng ta có vô số phản ứng hóa học luôn xảy ra, từ những phản ứng đơn giản như chuyện các thanh kim loại ngoài trời bị rỉ sét, đến những phản ứng giữa những phân tử protein phức tạp giúp cho sự sống được duy trì qua những phản ứng hóa hữu cơ (organic chemistry) và sinh hóa (biochemistry).
Để hiểu rõ những phản ứng này ta không những cần phải biết cấu trúc mà còn phải tìm ra chức năng của các phân tử. Thí dụ như các phân tử proteins là những phân tử to lớn, phức tạp về mặt cấu trúc. Và cũng cùng một protein nhưng có thể lại có những chức năng khác nhau tùy thuộc vào chuyện protein đó được xếp lại như thế nào, đây là bài toán xếp protein (protein folding) vô cùng khó khăn.
Nhưng chúng lại vô cùng quan trọng, thí dụ như trong các phả ứng quang hợp (photosynthesis). Ánh sáng từ mặt trời được sinh ra từ các phản ứng hạt nhân tổng hợp, khi đến trái đất thì năng lượng ánh sáng này được các giống thực vật hấp thụ. Quang năng được biến thành hóa năng là nhờ sự quang hợp ở các proteins khi khí CO2 được hấp thụ cùng với ánh sáng để tạo ra chất đường nuôi cây, và khí oxygen được thải ra trở lại vào khí quyển.
Phản ứng này quan trọng không những ở chỗ chúng tạo ra năng lượng cho cây cối, mà còn ở chỗ chúng hấp thụ đi chất độc CO2 và sinh ra khí oxygen giúp cho các động vật như loài người chúng ta.
(Khi hệ cân bằng này bị phá vỡ, chẳng hạn như qua việc khai phá rừng rậm bừa bãi, khí CO2 sẽ bị thặng dư để rồi gây ra tình trạng hâm nóng bầu khí quyển và những nguy cơ khác cho trái đất này.)
Các ví dụ khác là những phản ứng hóa học phức tạp giữa các dược phẩm với các proteins trong cơ thể chúng ta, hay những phản ứng hóa học với các chất xúc tác để thanh lọc các loại khí thải ra từ những động cơ nổ.
Để hiểu rõ những phản ứng này, ta phải mô phỏng quá trình của các hạt điện tử ở ngay nơi xảy ra phản ứng. Thế nhưng có quá nhiều các điện tử và chúng lại di chuyển rất nhanh, nhảy từ hạt nhân này sang hạt nhân khác chỉ trong một phần của một phần ngàn giây đồng hồ, và cái khó là chúng ta lại không có phương cách thí nghiệm nào hiện nay đủ khả năng để có thể theo dõi các tiến trình phức tạp như vậy!
**
Không có phương cách thí nghiệm, nhưng ta lại có các phương trình cơ lượng tử cho những tiến trình của các hạt điện tử. Tuy các phương trình này trở nên vô cùng phức tạp với nhiều hạt điện tử thì ta cũng lại có những máy tính điện toán computers hiện đại để phụ giúp.
Nhưng ngay đến cả những máy tính hiện đại nhất, ta cũng cần thời gian rất dài để giải những phương trình cho quá nhiều hạt điện tử như thế. Công sức đóng góp của ba vị giáo sư được trao giải Nobel hóa học năm nay là ở chỗ họ đã tìm ra cách đơn giản hóa phần nào những tính toán phức tạp này.
Các vị này đã đưa ra những mô hình tính toán với nhiều kích thước khác nhau (multiscale models). Ở kích thước nhỏ nhất là các hạt điện tử ngay ở trung tâm nơi xảy ra phản ứng thì chúng được mô hình hóa bằng các phương trình cơ lượng tử với tất cả những chi tiết phức tạp của chúng. Ở kích thước lớn hơn nữa, tương đối cách xa trung tâm của phản ứng, họ đã dùng những phương trình đơn giản hơn của vật lý cổ điển. Các phương trình vật lý cổ điển này tuy không hoàn toàn chính xác như cơ lượng tử, nhưng các vị đã tìm ra cách để mô phỏng xấp xỉ cho môi trường chung quanh những trung tâm phản ứng chính kia.
Qua phương thức kết hợp lượng tử và cổ điển này, các vị giáo sư nêu trên đã thành công rực rỡ trong việc tìm đáp số cho những bài toán của các phản ứng hóa học vô cùng phức tạp.
**
Lý tưởng nhất là ta có thể dùng toán lượng tử để mô phỏng chính xác toàn bộ các hạt điện tử và hạt nhân của tất cả các phân tử tham dự vào phản ứng hóa học. Nhưng ngay đến những máy siêu điện toán ngày nay cũng không thể làm được công việc này trong một thời gian tương đối thích hợp.
Có lẽ ta phải chờ đến những máy tính lượng tử (quantum computers) trong tương lai để đảm trách những bài toán vô cùng khó khăn như thế.
**
Sơ lược tiểu sử của ba vị nhận giải Nobel Hóa Học năm nay 2013
Gs Martin Karplus, 83 tuổi, mang song tịch Hoa Kỳ và Áo quốc. Ông sinh năm 1930 tại Vienna, thủ đô nước Áo. Năm 1953 ông hoàn tất luận án tiến sĩ tại đại học California Institute of Technology tại California, Hoa Kỳ. Ông đã từng là Giáo sư tại đại học Université de Strasbourg, Pháp Quốc và hiện thời cũng là GS danh dự Emeritus Professor tại đại học Harvard, Hoa Kỳ.
Gs Michael Levitt, 66 tuổi, mang song tịch của 2 quốc gia Anh và Do Thái. Sinh tại Pretoria ở Nam Phi, ông lấy bằng tiến sĩ năm 1971 tại đại học Cambridge, Anh Quốc. Ông hiện là Gs nghiên cứu về bịnh ung thư tại đại học Stanford, California.
Cuối cùng, Gs Arieh Warshel, 73 tuổi, cũng mang song tịch Hoa Kỳ và Do Thái. Ông sinh ra tại Do Thái và nhận bằng cấp tiến sĩ vào năm 1969 tại đại học Weizmann Institute of Science, cũng tại Do Thái. Hiện nay ông là giáo sư tại đại học University of Southern California, Los Angeles, California.
Ranh giới quốc gia ngày nay càng trở nên ít rõ rệt hơn với nhiều người mang lưỡng hay đa quốc tịch. Năm nay có đến 4 quốc gia như Hoa Kỳ, Áo, Anh quốc và Do Thái tha hồ mà tranh dành và tự hào rằng giải Nobel hóa học 2013 là của nước mình. Đó là chưa kể đến Nam Phi, nơi sinh của Gs Levitt.
**
Hóa học lượng tử đã tiến một bước dài trong thế kỷ qua, và ngành này cũng đã dành được nhiều giải Nobel, mặc dù đó là những giải thưởng Nobel Vật Lý của những nhà lượng tử tiền phong như Max Planck vào năm 1918, Neils Bohr vào năm 1922, Louis de Broglie năm 1929, Werner Heisenberg năm 1932, Erwin Shroedinger và Paul Dirac năm 1933.
Tám mươi năm sau, năm 2013 hóa học lượng tử lại một lần nữa đoạt giải Nobel với sự trợ giúp của máy tính điện tử. Chắc chắn những thành tựu này sẽ không ngừng ở đây. Và người ta cũng đã đặt chỉ tiêu để làm thế nào có thể dùng máy tính để mô phỏng không phải chỉ những phân tử phức tạp mà ngay cả toàn bộ một hệ sống, một sinh vật.
Nếu việc đó là giới hạn của máy điện toán hiện đại thì biết đâu đấy, 50 năm sau máy tính lượng tử lại có thể được hoàn chỉnh đến mức độ ta có thể dùng trong những tính toán to lớn hơn, những công trình mô phỏng (simulations) vĩ đại hơn – thí dụ như việc mô phỏng toàn bộ tất cả các phản ứng hóa học trong cơ thể con người chẳng hạn!
**
Và nếu ta mô phỏng được sự sống ở mức độ đó thì câu hỏi kế tiếp là liệu ta có thể tạo ra sự sống hay ngay cả tạo ra con người qua phương pháp nhân tạo, bằng cách tổng hợp trực tiếp các nguyên liệu hữu cơ được hay không?
À, mà lúc ấy các bà có lẽ sẽ không còn cần các ông để “make baby” nữa. Lúc ấy, liệu chừng các ông lại tha hồ mà “make war”, gây chiến tranh từ nơi này đến nơi khác, với những nhân mạng nhân tạo có được quá dễ dàng!
Melbourne, Úc Châu
Tháng 10, 2013
Nguồn: Bài đã phát thanh 10/2013 do Hồn Việt Radio gởi đến DCVOnline