Vật lý lượng tử - đối tượng nghiên cứu mới của các nhà sinh hóa

Chia sẻ: Ha Quynh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

67
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tích điện là một tính chất của các electron mà hầu như người nào cũng biết, nhưng còn có một tính chất nữa, đó là tính quay, lại ít được biết tới hơn và được coi là một lĩnh vực nghiên cứu riêng biệt đặc thù của các nhà vật lý.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Vật lý lượng tử - đối tượng nghiên cứu mới của các nhà sinh hóa

Vật lý lượng tử - đối tượng nghiên cứu mới của các nhà sinh hóa Tích điện là một tính chất của các electron mà hầu như người nào cũng biết, nhưng còn có một tính chất nữa, đó là tính quay, lại ít được biết tới hơn và được coi là một lĩnh vực nghiên cứu riêng biệt đặc thù của các nhà vật lý. Trạng thái quay của electron diễn ra theo một trong hai hướng đối lập nhau, quay lên trên và quay xuống dưới. Hiện nay, các nhà sinh hóa đang bắt đầu phân tích tính quay của electron thành thừa số để áp dụng vào các mô phỏng phản ứng sinh hóa trên máy tính của họ nhằm làm cho chúng chính xác hơn. Từ lâu, các nhà sinh hóa đã sử dụng máy tính để lập mô hình về việc những phân tử sinh học lớn, phức hợp sẽ phản ứng với nhau như thế nào, nhưng một nhà nghiên cứu người Mỹ cho rằng để đạt được một tầm hiểu biết cơ bản hơn về việc các phản ứng diễn ra như thế nào, thì nên tính tới tính quay của electron. Là người luôn trăn trở về những vòng xoay của electron, nhà nghiên cứu Jorge H. Rodriguez ở trường Đại học Purdue, cho rằng việc phân tích tính quay thành thừa số để thể hiện các mô hình phân tử có thể tiết kiệm cho ngành công nghiệp dược phẩm thời
gian và tiền của. Ông cho rằng trong khi chúng ta buộc phải hài lòng với việc quan sát quá trình hóa học diễn ra ở các sinh vật sống và sau đó mô tả nó mà không có những hiểu biết hoàn chỉnh, thì chúng ta cần phát triển những công cụ tính toán có thể dự đoán điều gì sẽ xảy ra giữa các phân tử trước khi diễn ra phản ứng hóa học. Lĩnh vực mà Rodriguez đặc biệt quan tâm là một dạng protein kim loại gồm hemoglobin và chlorophyll và những phản ứng của chúng ở thực vật và động vật. Ông nói, từ lâu các nhà vật lý đã biết rằng, theo những quy luật của cơ chế lượng tử, có một số phản ứng hóa học trong cơ thể sinh vật bị “cấm không xảy ra”, ví dụ như sự liên kết oxy của hemoglobin trong phổi khi ta thở. Nhưng tuy vậy chúng vẫn diễn ra. Vì vậy, do những phản ứng này liên quan tới tính xoay của electron, nên nhóm nghiên cứu của ông quyết định khảo sát sâu hơn về chúng. Ông tiếp tục giải thích, thế giới tự nhiên luôn thể hiện sự cân bằng và chúng ta có thể thấy bằng chứng của nó vừa ở tính tích điện vừa ở tính xoay. Ví dụ, các electron của vòng xoay đối lập rất dễ cặp với nhau khi chúng xoay quanh nhân. Điều này cho phép những vòng xoay của chúng cân bằng với nhau, giống như sự tích điện âm và dương giữa các proton và electron. Thậm chí khi ta có hàng trăm electron hình thành nên một đám mây dày đặc xung quanh một phân tử phức, ta vẫn thấy sự cân bằng ở cả sự tích điện và xoay. Nhưng đôi khi các electron ở các protein kim loại (metalloprotein) dường như lại không tuân theo quy luật này. Như ở trường hợp của hemoglobin, tự nhiên dường như bảo toàn cân bằng ở sự tích điện trong khi lại chia sẻ sự bảo toàn này ở sự xoay. Tại trung tâm của hemoglobin là sự chuyển hóa - sắt kim loại, nơi mà một số electron có thể bay xung quanh hạt nhân mà không bị kết đôi. Khi một tế bào hồng cầu tiếp xúc với oxy trong phổi của con người, hemoglobin của nó có thể hấp thụ oxy bằng một số electron không kết đôi, chuyển chúng tới những nơi còn lại trong cơ thể. Nhưng trong quá trình này, sự xoay tích lũy thay đổi theo một cách mà không thể bảo toàn được sự cân bằng, việc này dường như là không thể diễn ra theo quan điểm của một nhà vật lý. Rodriguez giải thích, quá trình phản ứng hóa học này rất thiết yếu cho sự sống, nhưng các nhà vật lý còn hoài nghi về việc nó có thể xảy ra như thế nào. Sự tích điện giữa các electron trong oxy và hemoglobin được liên kết là cân bằng ở giai đoạn cuối, điều này rất có ý nghĩa đối với các nhà
hóa học. Nhưng vòng xoay điện tích của toàn bộ quá trình không được bảo toàn, khiến cho một nhà vật lý khó hiểu với hiện tượng này. Tất nhiên, các nhà khoa học còn cần phải tìm hiểu nhiều hơn về thế giới tự nhiên ở mức độ vô cùng bé. Vì rất nhiều phản ứng được coi là không được phép xảy ra liên qua tới phân tử sinh học và các kim loại chuyển tiếp, những loại mà có thể bật về trước và sau giữa những trạng thái xoay khác nhau dưới những điều kiện nào đó, Rodriguez giả thiết rằng chính tính thay đổi ở trạng thái xoay đã làm ảnh hưởng tới mức độ của những phản ứng này. Nhóm của ông đang sử dụng một siêu máy tính mà ông cho biết sẽ nhanh chóng tạo ra được những mô hình các phân tử rất quan trọng, những mô hình mà sau đó có thể “phản ứng” với mô hình khác trong các mô phỏng để dự đoán một cách chính xác điều gì sẽ xảy ra khi chúng phản ứng với nhau trong thế giới vật lý. Ông giải thích, nhóm nghiên cứu đang ở thời điểm phát triển những công cụ tính toán để phân tích quá trình phụ thuộc vào tính xoay của các phân tử sinh học và ứng dụng chúng vào một số trường hợp thử nghiệm quan trọng. Nhưng những phương pháp của nhóm dựa trên các cách tiếp cận rất hợp lý cho bất cứ một hệ phân tử nào. Vì vậy, hơn hàng trăm metaloprotein có ích lợi về khoa học và thực tiễn có thể được nghiên cứu trong tương lai bằng những phương pháp do nhóm phát triển. Nhóm đang tạo ra một lĩnh vực mới để cố tìm hiểu các quy trình sinh hóa ở mức độ cơ bản nhất, đó là các cơ chế lượng tử. Đây sẽ là một bước tiến quan trọng nhất để biến lĩnh vực hóa sinh thành một ngành khoa học dự báo thay vì là một ngành khoa học mô tả.
Ứng dụng dân sự của bom hạt nhân Vũ khí hạt nhân là phát minh đáng sợ của con người, nhưng nó không chỉ có tính hủy diệt mà còn được ứng dụng vào những mục đích hòa bình. Dưới dây là những ứng dụng dân sự của bom hạt nhân được coi là khả thi trong quá khứ. Tạo một hố khổng lồ Nếu có một điều mà giới khoa học chứng minh vũ khí hạt nhân có khả năng thực hiện, thì đó là sự tạo ra một hố khổng lồ. Edward Teller, nhà vật lý ở Livermore Lab - Viện thí nghiệm quốc gia và nổi tiếng là cha đẻ của bom hydrogen, viết năm 1963: "Sự bàn luận về những ứng dụng hòa bình của chất nổ hạt nhân đã sinh ra một số ý tưởng cụ thể chắc chắn có thể thực hiện được và từ đó cũng tạo ra một số khả năng đầy hứa hẹn mà hiện nay được coi là giấc mơ. Nói tóm lại với một sự việc đơn giản: chúng ta có thể tạo ra một hố khổng lồ trên trái đất - nếu như bất cứ ai muốn làm điều đó". Những cái hố khổng lồ rất hữu dụng cho công nghiệp khai thác mỏ, tạo thành một bể chứa, hoặc thậm chí mở ra một kênh Panama mới. Tạo ra một kênh Panama mới Kênh đào Panama là kỳ công của con người ở đầu thế kỷ XX, nhưng nó thật sự quá nhỏ. Trong nhiều thập niên qua con người đã nghĩ đến các kế hoạch xây dựng một con kênh mới to lớn hơn, thích hợp cho những tàu chở dầu khổng lồ cũng như những phương tiện giao thông ngoại cỡ khác lưu thông. Tổng thống Mỹ John F. Kennedy có ý tưởng sử dụng chất nổ hạt nhân để "đào" một con kênh như thế.
Một tài liệu giải mật của Ủy ban Năng lượng nguyên tử Mỹ có viết: "Memorandum về an ninh quốc gia số 152 (ngày 30/4/1962, đề tài: Chính sách kênh đào Panama và những mối quan hệ với Panama) được ký bởi Tổng thống Kennedy vẫn còn hiệu lực". Nhất là trong memorandum có ghi: Chủ tịch của Ủy ban Năng lượng nguyên tử sẽ thành lập trong khuôn khổ Chương trình Plowshare một nghiên cứu để xác định trong khoảng 5 năm tới tính khả thi, giá cả và những yếu tố khác liên quan đến các phương pháp đào kênh bằng chất nổ hạt nhân. Thăm dò khí tự nhiên Một trong những kế hoạch quan trọng nhất trong chương trình Plowshare là ý tưởng tăng cường sản lượng khí tự nhiên. Vào giữa thập niên 60 thế kỷ trước, các nhà khoa học Mỹ bắt đầu quan tâm đến việc sử dụng chất nổ hạt nhân để khai thác khí tự nhiên bằng cách làm đứt đoạn những núi đá chôn giấu khí tự nhiên để nó dễ thấm ra ngoài hơn. Năm 1967, tờ Time đã đề cập nỗ lực đầu tiên trong lĩnh vực này - đó là Dự án Gasbugy ở New Mexico. Công việc khai thác khí tự nhiên lên đến đỉnh điểm vào năm 1973 với vụ nổ 3 quả bom hạt nhân 33 kiloton ở Rio Blanco, Colorado. Vấn đề là việc khai thác đã tạo ra một mức phóng xạ thấp. Sau đó phương pháp đã gây tranh cãi nhiều ở Mỹ, mặc dù các nhà khoa học tuyên bố rằng mức phóng xạ không gây hại đến sức khỏe công chúng. Khai thác mỏ dầu đá phiến Để đối phó với giá dầu, người ta bắt đầu nghĩ đến việc biến những phiến đá do trầm tích tạo thành ở miền Tây nước Mỹ thành nhiên liệu lỏng, gọi là dầu đá phiến sét. Vấn đề là chi phí và năng lượng cần để thực hiện ý tưởng và chiết lấy kerogen. Giải pháp là sử dụng chất nổ nhiệt hạch. Năm 1970, nhà vật lý Milo Nordyke trong chương trình Plowshare ở Livermore Lab đã đưa ra kế hoạch "Phương pháp chất nổ hạt nhân để kích thích tạo sản lượng hydrocarbon từ những cấu tạo có dầu mỏ". Xử lý chất thải hạt nhân
Một trong những ứng dụng chất nổ hạt nhân kỳ lạ được đề nghị là giúp chôn giữ chất thải hạt nhân. Ý tưởng xuất hiện trong một bài báo năm 1973 trên tờ Science là của Viện Thí nghiệm Lawrence Livermore. Theo ý tưởng lạ lùng này, người ta sẽ cho nổ một quả bom hạt nhân để tạo ra cái hố khổng lồ ngay bên dưới cơ sở xử lý chất thải hạt nhân. Sau đó chất thải phóng xạ được trút xuống cái hố ngầm này (sẽ đầy sau 25 năm). Nhà vật lý Milo Nordyke cho biết các nhà khoa học của chương trình Plowshare đã thiết kế một loạt những quả bom chứa rất ít chất liệu có khả năng phân rã hạt nhân (gây phóng xạ nguy hiểm cho con người). Nhưng bất chấp sự thành công về kỹ thuật của chương trình Plowshare, Nordyke vẫn không thấy những quả bom hạt nhân này được sử dụng trong thực tế. Bởi vì, theo Nordyke, việc dung hòa giữa vấn đề môi trường và sự sử dụng bom hạt nhân là điều vô cùng khó khăn. Chuyến bay chở người vào không gian Nếu như không sử dụng được bom hạt nhân trên trái đất thì chúng ta có thể dùng chúng để đi vào vũ trụ. Dự án Orion của Mỹ - được lãnh đạo bởi Freeman Dyson cùng với những nhà khoa học ưu tú khác - nhằm xây dựng một chiếc tàu vũ trụ phóng đi bằng vũ khí nguyên tử. Ý tưởng (điên rồ) là một chiếc tàu chở cả một thành phố đầy người được phóng vào vũ trụ bởi 1.000 quả bom hạt nhân! Dự án Orion đã được giải mật trên trang web của NASA. Bảo vệ trái đất trước sự va chạm của tiểu hành tinh Nhiều nhà khoa học vẫn chưa chắc rằng vũ khí hạt nhân có phải là cách tốt nhất để bảo vệ trái đất trước sự va chạm của tiểu hành tinh hay không, nhưng NASA tin rằng trong một số tình huống thì bom hạt nhân có thể bảo vệ trái đất khỏi sự diệt vong vì tiểu hành tinh