Khó có thể dự đoán được giải Nobel sẽ thuộc về ai. Ví dụ, năm ngoái, giải thưởng về sinh lý học và y học đã thuộc về Svante Paabo - nhà tiên phong nghiên cứu về DNA hóa thạch, làm sáng tỏ nhiều về quá trình tiến hóa của loài người.

Ông xứng đáng với danh hiệu này. Tuy nhiên một số người cho rằng đây là một lựa chọn kỳ quặc trong bối cảnh đại dịch Covid-19 đang tàn phá thế giới. Năm nay Viện Karolinska ở Stockholm đã có những sửa đổi. Giải thưởng cho lĩnh vực này đã thuộc về Bà Katalin Karikó và Ông Drew Weissman, cả hai đều đang làm việc tại Đại học Pennsylvania, họ đi tiên phong trong việc triển khai vắc xin MRNA để chống lại vi rút Corona vào thời đỉnh điểm. Họ đã mở đường cho việc sử dụng mRNA trong bào chế vắc xin đồng thời mở ra tiềm năng ứng dụng mRNA trong các vắc xin và phương pháp điều trị bệnh khác về sau.

Giải thích đơn giản, di truyền phân tử liên quan tới bốn “chữ cái” di truyền. Trong ADN là một phân tử phức tạp chất mang thông tin di truyền, bốn base trong DNA là adenine (A), cytosine (C), guanine (G) và thymine (T). Khi một gen được kích hoạt, các gen trên DNA được sao chép lại trên phân tử RNA, uracil (U) thay thế thymine (T). MRNA là một sứ giả quan trọng, mang các chỉ dẫn cho sự sống từ DNA đến phần còn lại của tế bào, được giải mã qua ribosome, đóng vai trò then chốt trong quá trình tổng hợp protein.

Loại vắc-xin này dạy các tế bào của cơ thể con người cách tạo ra một loại protein, protein này sẽ kích hoạt phản ứng miễn dịch bên trong cơ thể con người. Phản ứng miễn dịch đó sẽ tạo ra kháng thể giúp bảo vệ cơ thể không bị nhiễm bệnh nếu vi rút thực sự xâm nhập vào cơ thể con người. Khả năng thuyết phục các tế bào tạo ra các protein mà bản thân chúng thiếu gen có thể có nhiều ứng dụng ngoài vắc xin.

Tuy nhiên, sinh học không hề đơn giản. Những nỗ lực ban đầu nhằm sản xuất vắc xin mrna đã tạo ra phản ứng thù địch đối với rna được tiêm. Các tế bào tiếp nhận nó sẽ nhận ra phân tử này là ngoại lai và yêu cầu hệ thống miễn dịch tiêu diệt chúng với giả định rằng chúng đã bị nhiễm bệnh.

Tiến sĩ Karikó và Weissman nhận ra rằng phải có sự khác biệt đáng kể về mặt hóa học giữa RNA nhân tạo và RNA tự nhiên. Các thí nghiệm cho thấy nó có tính chất hóa học của U, cần phải chỉnh sửa để RNA nhân tạo giống với phiên bản thật của con người.

Năm 2005, cặp đôi này đã đấu tranh hết mình để thuyết phục tạp chí Immunity đăng bài về nghiên cứu của họ. Trước đó, Tiến sĩ Karikó đã bị Đại học Pennsylvania giáng chức vì nhất quyết tiếp tục công việc mrna của mình khi cấp trên của cô cho rằng nó chẳng dẫn đến đâu.

Ngay cả khi nghiên cứu được công bố, vẫn có rất ít người quan tâm. Nhưng đến đầu năm 2020, khi các chính phủ trên thế giới hoảng loạn vì COVID, hai công ty BioNTech và Moderna đã nghiên cứu vắc xin mrna. Họ đã giành được sự chú ý và phát triển các sản phẩm chống lại virus Corona. Họ khiến mrna liên quan mã hóa một phần protein của virus. Tiến sĩ Karikó và Weissman đã trở thành anh hùng khi vắc xin được sử dụng và cứu hàng triệu sinh mạng.

Giải thưởng vật lý cũng được trao cho các công trình nghiên cứu mà mãi về sau này mới có kết quả. Giải được trao cho sự phát triển loại tia laser cực nhanh có thể bật và tắt chỉ trong attô giây hoặc một phần triệu giây. Một atto giây ngắn đến mức số atto giây trong một giây bằng với số giây đã trôi qua kể từ khi vũ trụ được hình thành cách đây 13,8 tỷ năm.
Nhiều quá trình vật lý đạt được tốc độ này. Ví dụ, các electron quay quanh hạt nhân nguyên tử đủ nhanh để thay đổi vị trí trong khoảng thời gian Attô giây. Pierre Agostini, Ferenc Krausz và Anne L’Huillier là những nhà khoa học đạt giải Nobel Vật lý năm nay đã thử nghiệm tạo ra những tia sáng đủ ngắn để chụp được những bức ảnh chuyển động cực nhanh của electron.

Nguyên lý cơ bản tương tự như ánh sáng nhấp nháy, có thể giúp chụp ảnh các vật thể chuyển động nhanh trong thế giới hàng ngày. Một con chim ruồi nhỏ bé có thể đập cánh 80 lần mỗi giây, nhưng đối với chúng ta, chúng ta chỉ có thể cảm nhận được âm thanh vo ve và những chuyển động mơ hồ của cánh. Tuy nhiên, sử dụng nhiếp ảnh tốc độ cao và đèn flash, chúng ta có thể ghi lại hình dáng vật lý của các hiện tượng thoáng qua này.

Nghiên cứu được tiên phong bởi Tiến sĩ L'Huillier. Năm 1987, tại Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Saclay gần Paris, bà đã thử nghiệm bắn chùm tia laser hồng ngoại truyền qua một loại khí hiếm như argon hoặc neon. Khi ánh sáng laser đi vào một chất khí và tác động lên các nguyên tử của nó, nó sẽ gây ra các dao động điện từ làm biến dạng điện trường của các electron xung quanh hạt nhân, khiến các electron thoát ra khỏi nguyên tử. Cuối cùng, để trở về trạng thái cơ bản gần hạt nhân, các electron phải giải phóng năng lượng dư thừa dưới dạng xung ánh sáng.

Một khi những sóng hài này xuất hiện, chúng sẽ tương tác với nhau. Khi các đỉnh sóng ánh sáng chồng lên nhau, ánh sáng tạo ra trở nên mạnh hơn, nhưng khi đỉnh của một sóng ánh sáng chồng lên đáy của sóng ánh sáng khác, ánh sáng tạo ra trở nên ít cường độ hơn. Trong những trường hợp thích hợp, các sóng hài trùng khớp, tạo ra một loạt xung ánh sáng tia cực tím, mỗi xung có chu kỳ vài trăm atto giây.

Vào năm 2001, Tiến sĩ Agostini làm việc tại Pháp, đã phát triển quan sát của Tiến sĩ L’Huillier thành một phần công nghệ khả thi, thiết kế một phương pháp tạo ra một chuỗi xung ánh sáng kéo dài 250 attô giây mỗi xung. Cùng thời điểm đó, Tiến sĩ Krausz tại Vienna cũng đã tạo ra được một loạt xung kéo dài 650 atto giây mỗi xung.

Giờ đây, người ta có thể tạo ra các xung thấp tới hàng chục atto giây và công nghệ này không ngừng phát triển. Thông qua các thí nghiệm của mình, những nhà khoa học đoạt giải Nobel Vật lý 2023 đã tạo ra những luồng ánh sáng đủ ngắn để chụp được những bức ảnh ghi lại chuyển động cực nhanh của các electron xung quanh hạt nhân nguyên tử. Thế nhưng ngay cả khi các nhà khoa học đã "nhìn thấy" chuyển động của electron, mọi thứ vẫn diễn ra rất mờ. Trước khi có ánh sáng atto giây, các nhà khoa học chỉ có thể tính toán xác suất vị trí của electron. Các xung atto giây giúp các nhà khoa học giờ đây có thể đo thời gian cần thiết để một electron bị kéo ra khỏi nguyên tử và kiểm tra xem thời gian này diễn ra như thế nào phụ thuộc vào mức độ liên kết của electron với hạt nhân nguyên tử.

Một ngày nào đó, các xung ánh sáng atto giây có thể được sử dụng để tạo ra các thiết bị điện tử siêu nhanh, chất bán dẫn giúp chuyển đổi từ trạng thái cách điện sang dẫn điện nhanh hơn nhiều so với hiện nay. Các xung này cũng có thể được dùng để thúc đẩy các phân tử lớn, phát ra bức xạ đặc trưng theo cấu tạo hóa học chính xác của từng phân tử. Ứng dụng này có thể để phân tích mẫu máu, phát hiện ra những dấu hiệu của mầm bệnh.

Giải Nobel Hóa học 2023 được trao cho Moungi Bawendi, Louis Brus và Alexei Ekimov, bộ ba nhà khoa học có khả năng khai thác một trong nhiều khía cạnh phản trực giác của thế giới lượng tử, họ đã phát hiện ra các hạt nano nhỏ đến mức kích thước quyết định tính chất của chúng.

Các chấm lượng tử là một tinh thể nano được làm từ vật liệu chất bán dẫn mà kích thước của nó đủ nhỏ để làm xuất hiện các đặc tính cơ học lượng tử. Các electron trong chấm lượng tử bị tách ra khỏi hạt nhân nguyên tử khi được truyền năng lượng bằng xung ánh sáng cực tím. Chúng bị giam cầm bên trong tinh thể cho đến khi chúng có thể phát lại năng lượng đó dưới dạng một luồng ánh sáng khác và trở lại trạng thái ban đầu.

Các chấm lượng tử

Tuy nhiên, kích thước cực nhỏ của chấm này hạn chế bước sóng từ đó hạn chế màu sắc của ánh sáng mà các electron có thể phát lại. Các chấm nano siêu nhỏ tạo ra ánh sáng xanh, các chấm lớn hơn tạo ra màu đỏ. Nếu vượt quá mười nanomet – khoảng một phần nghìn kích thước của một tế bào hồng cầu – thì các hiệu ứng lượng tử cần thiết để tạo ra ánh sáng sẽ biến mất vào hư vô.

Cơ sở vật lý của chấm lượng tử đã được biết đến từ những năm 1930. Tuy nhiên việc ứng dụng vào thực tế lại là điều vô cùng khó khăn. Vào năm 1979, Tiến sĩ Ekimov, khi đó đang làm việc tại Viện Quang học Bang S.I. Vavilov ở Leningrad (nay là St Petersburg), đã có thể tạo ra các tinh thể clorua đồng cực nhỏ trong thủy tinh, thậm chí có thể thay đổi màu sắc của ánh sáng mà chúng phát ra bằng cách thay đổi kích thước của các tinh thể này.

Tuy nhiên, kính màu là một phương tiện khó sử dụng. Năm 1983, một phương pháp sản xuất dễ thực hiện hơn đã được phát hiện. Tiến sĩ Brus tại Phòng thí nghiệm Bell ở New Jersey, đã có thể tạo ra các chấm lượng tử dưới dạng các hạt trôi nổi tự do trong dung dịch, cho phép quan sát được hiện tượng này trong chất lỏng cũng như chất rắn.

Tiến sĩ Bawendi, thuộc Viện Công nghệ Massachusetts, đã đưa công nghệ này vào ứng dụng thực tế. Năm 1993, ông đã phát triển phương pháp sản xuất chấm lượng tử bằng cách bơm thuốc thử vào dung môi ở nhiệt độ cao, ông đã tạo ra các tinh thể hạt siêu siêu nhỏ.

Trong những thập kỷ qua, tinh thể nano có những ứng dụng lớn. Chúng được sử dụng trong chiếu sáng, khai thác năng lượng mặt trời và hỗ trợ chụp ảnh y sinh. Ứng dụng phổ biến nhất là tivi và màn hình máy tính sử dụng công nghệ lượng tử, quảng cáo màu sắc sắc nét hơn và không bị nhòe. Thậm chí trong tương lai, tinh thể nano có khả năng được sử dụng trong kiến trúc của máy tính lượng tử.

Giải Nobel đôi khi bị chỉ trích vì đi sau thời đại khoa học nhiều năm. Một số nhà khoa học đáng ra xứng đáng với giải thưởng nhưng lại qua đời trước khi được Ủy ban vinh danh, trong khi giải Nobel chỉ trao cho những người còn sống. Tuy nhiên, giải Nobel năm nay đã giải thích tại sao lại có độ trễ trong việc đánh giá và trao giải. Như những nỗ lực cụ thể của Tiến sĩ Karikó đã chứng minh, để phát minh trọn vẹn một nghiên cứu thay đổi thế giới cần mất nhiều thời gian để trở nên rõ ràng.