Giải Nobel Hóa học 2013 (tiếp theo và hết) - Các công trình

(Ghi chú: ba entry trong loạt này được sắp xếp theo mức độ khó hiểu tăng dần, hai entry trước có sử dụng một số thông tin từ Reuter và báo chí mạng, riêng entry này được dịch từ phần mô tả các công trình của nhóm được giải trong tài liệu chính thức do Viện Khoa Học Hoàng Gia Thụy Điển công bố.)

Điều quan trọng trong mô hình hóa khi sử dụng cả Cơ học cổ điển và Cơ học lượng tử là việc thể hiện hai vùng này trong hệ thống mô hình được thực hiện thế nào để chúng có thể tương tác một cách có ý nghĩa vật lý. Thông thường, toàn bộ hệ thống phân tử được nhúng trong một chất điện môi liên tục, hình 1 minh họa một hệ thống như vậy.

                                   

                      Hình 1.  Multi-copper-oxidase nhúng trong nước.

Bước đầu tiên trong việc phát triển mô hình đa phạm vi được diễn ra khi Arieh Warshel đến thăm Martin Karplus tại Đại học Harvard vào đầu những năm 70. Warshel đã có hiểu biết sẵn về thế năng liên phân tử và trong phân tử còn Karplus đã có kinh nghiệm Hóa lượng tử cần thiết. Mục đích của họ khi đó là nghiên cứu các phân tử tương tự như các phân tử ở võng mạc. Đảm nhiệm khả năng nhìn của động vật, chất chromophore này đã thu hút sự chú ý của Karplus. Dựa một phần trên những ý tưởng được Honig và Karplus trình bày trước đó, Karplus và Warshel xây dựng một chương trình máy tính có thể tính toán phổ electron π và quang phổ dao động của một số phân tử phẳng với kết quả tuyệt vời. Cơ sở cho cách tiếp cận này là những ảnh hưởng của electron σ và hạt nhân đã được mô hình hóa sử dụng phương pháp cổ điển và electron π được mô phỏng bằng PPP ( Pariser - Parr - Pople ) cách tiếp cận lượng tử hóa đã được chỉnh sửa cho kết quả tốt nhất. Hình 2 cho thấy một phân tử điển hình trong nghiên cứu đó.

      Hình 2 . Các phân tử đối xứng gương 1,6 -diphenyl -1,3,5 - hexatriene mà Martin Karplus và Arieh Warshel nghiên cứu.

Đây là công trình đầu tiên cho thấy có thể xây dựng phương pháp lai kết hợp những ưu điểm của phương pháp cổ điển và phương pháp lượng tử để mô tả hệ thống hóa học phức tạp. Phương pháp đặc biệt này được giới hạn trong các hệ thống phẳng mà sự đối xứng tạo ra một sự tách biệt tự nhiên giữa các electron π đã được mô tả bằng Hóa học lượng tử và các electron σ đã được xử lý bởi mô hình cổ điển, nhưng đây không phải là giới hạn chính của nghiên cứu, như đã được thể hiện một vài năm sau, vào năm 1976. 

Sau đó Arieh Warshel và Michel Levitt cho thấy có thể xây dựng một chương trình chung cho một phân vùng giữa các electron trong các mô hình cổ điển và các electron được mô tả một cách rõ ràng bằng mô hình hóa học lượng tử. Điều này đã được thực hiện trong nghiên cứu của họ về  “Chất điện môi, tĩnh điện và sự làm ổn định trong không gian của Ion Carbon trong các phản ứng của Lysosyme". Nhiều vấn đề cơ bản cần giải quyết để cho một tiến trình như vậy làm việc. Các dạng khớp nối năng lượng mà mô phỏng tương tác giữa hệ thống cổ điển và hệ thống lượng tử phải được xây dựng, cũng như các khớp nối giữa các bộ phận cổ điển và lượng tử của hệ thống với điện môi xung quanh . Hệ thống nghiên cứu được biểu diễn trên hình 3.

Hình 3. Để hiểu làm thế nào lysozyme phân cắt một chuỗi glycoside, việc mô hình chỉ có những phần liên quan của hệ thống sử dụng Hóa học lượng tử là cần thiết, trong khi hầu hết các phần xung quanh có thể được xử lý bằng cơ học phân tử hoặc một mô hình liên tục .

Trong thời gian giữa những lần xuất bản của hai công trình nói trên (1975), một bước quan trọng làm cho các hệ thống lớn hơn có thể được nghiên cứu, Michel Levitt và Arieh Warshel đã tiến hành trong nghiên cứu của họ về sự gấp nếp của protein là chất ức chế trypsin trong tuyến tụy bò ( BPTI ). Dạng đơn giản hóa của hệ thống nghiên cứu được sử dụng trong công trình này được minh họa trong hình 4.

Hình 4 . Cấu trúc chi tiết của một chuỗi polypeptide (hình trên) được đơn giản hóa bằng cách gán mỗi axit amin còn lại với thể tích tương tác (giữa) và kết quả chuỗi - của - ngọc trai như cấu trúc (dưới) được sử dụng để mô phỏng .

Trong công trình này, sự gấp nếp của protein từ một thể cấu tạo mở đến một thể cấu tạo gấp đã được nghiên cứu, và người ta thấy rằng có thể nhóm các nguyên tử trong một hệ thống cổ điển thành các đơn vị cứng nhắc để xử lý chúng theo mô hình cổ điển. Rõ ràng, cách này giúp việc mô phỏng hệ thống tiếp cận tốc độ cao hơn.

Giải Nobel Hóa học 2013 (tiếp) -Sự kết hợp giữa Vật lý cổ điển và Vật lý lượng tử

Làm thế nào để ba nhà hóa học mô hình hóa được các chuyển động và tương tác trong phân tử tham gia phản ứng hóa học. Để mô tả chuyển động của những hòn sỏi hay những quả bóng khi có lực tác dụng người ta có thể dùng các định luật Newton của môn Vật lý cổ điển nhưng điện tử chuyển động trong nguyên tử, phân tử các chất thì không tuân theo các định luật cơ học cổ điển mà phải dùng cơ học lượng tử để mô tả. Với phân tử kích cỡ lớn thì cơ học cổ điển lại có tác dụng, bởi vậy họ phải dùng kết hợp giữa Vật lý cổ điển và Vật lý lượng tử để thể hiện đầy đủ hoạt động bên trong của các phân tử trong các hệ thống hóa học.

Chẳng hạn khi mô tả tương tác của thuốc với protein đích trong cơ thể thì những nguyên tử nằm trong protein mà tham gia phản ứng với thuốc sẽ được áp dụng những tính toán lý thuyết lượng tử còn phần còn lại của protein có kích thước lớn thì được áp dụng vật lý cổ điển ít đòi hỏi hơn. Bởi vậy nên Viện Khoa học Hoàng gia Thụy điển mới viết rằng ba nhà hóa học đã đoạt giải vì "sự phát triển các mô hình đa phạm vi cho các hệ thống hóa học phức tạp" nguyên văn tiếng Anh là "the development of multiscale models for complex chemical systems" trong có từ multiscale có thể hiểu là nhiều quy mô hay đa phạm vi có báo dịch là đa tỷ lệ.

Các định luật vật lý cổ điển thì quen thuộc rồi còn lý thuyết về Cơ học lượng tử thì xuất phát từ việc lưỡng tính sóng hạt được giả định là bản chất cơ bản của vật chất.Có hai phương pháp mô tả Cơ học lượng tử là Cơ học ma trận của Heisenberg và Cơ học sóng của Shrödinger, về sau Paul Dirac đưa ra phương pháp Lý thuyết biến đổi thống nhất và khái quát hóa hai phương pháp trên.

Giải Nobel Hoá học năm 2013 - Khi máy tính thay thế phòng thí nghiệm hóa học

(Thấy bác Lê Trần Hải nói chưa có bài nào viết rõ về giải Nobel Hóa học nên em viết entry này kính bác ạ)

Giải Nobel Hoá học năm 2013 được trao cho ba giáo sư Martin Karplus, Michael Levitt  và Arieh Warshel, vì "sự phát triển các mô hình đa phạm vi cho các hệ thống hoá học phức tạp", đây chính là  sự vinh danh những người tiên phong đã nhìn thấy và phát triển khả năng tuyệt vời của máy tính trong việc nghiên cứu các phản ứng hóa học. Sự kết hợp giữa bộ môn lập trình máy tính và các dữ liệu, kiến thức trong hóa học đã tạo ra công cụ thực hiện được những công việc khó khăn phức tạp không chỉ trong hóa học mà còn giúp ích cho sinh học, y học... Có thể nói bằng sự kết hợp này, máy tính đã thay thế phòng thí nghiệm hóa học trong những nhiệm vụ vô cùng phức tạp.

Hiện giờ thì đã có cả bộ môn sinh học máy tính (Computational Biology) với rất nhiều người nghiên cứu nhưng nếu quay trở lại thời điểm những năm 70 của thế kỷ 20, khi các nhà hóa học còn miệt mài với những chai lọ dung dịch, máy đo trong phòng thí nghiệm, dùng các quả cầu và các đoạn nối bằng nhựa để mô phỏng cấu trúc của phân tử thì chúng ta mới thấy hết công lao của những người tiên phong đã đi theo hướng dùng máy tính thay thế phòng lab. 

Điều quan trọng là hướng đi này đòi hỏi nhà hóa học phải tìm hiểu thêm lĩnh vực lập chương trình cho máy tính, những kiến thức khi đó còn xa lạ với những nhà hóa học cùng thời. Thậm chí nhiều nhà hóa học vẫn nghiên cứu chuyên môn theo cách truyền thống còn tỏ ra lạnh nhạt và không tin tưởng vào việc ứng dụng máy tính vào nghiên cứu phản ứng hóa học. Khi Warshel gửi đi những bài báo về việc này, không một bài báo nào của ông được chấp nhận ngay lần đầu. Với Karplus, đồng nghiệp bảo ông là "lãng phí thời gian".  Những nhà hóa học cùng thời chưa hiểu hết ý nghĩa công việc của các ông trong tương lai, và thời gian đã ủng hộ những người tiên phong. Levitt là một nhà hóa học ham thích máy tính, ông tự nhận mình là computer geek. Thay vì làm thí nghiệm thì ông say sưa bên máy tính ngày qua ngày, không giống một nhà hóa học chút nào. Và bây giờ ba người được giải Nobel.

Có nhiều hệ phản ứng rất phức tạp, hoặc phản ứng xảy ra rất nhanh mà để nghiên cứu chúng thì các phương pháp trong phòng lab cũng chưa thực hiện nổi, nhưng máy tính làm được. Các chương trình mô phỏng phản ứng có thể diễn tả lại các hệ phản ứng xảy ra như thế nào như khi ta xem một bộ phim, bởi vậy mà các giáo sư vừa đoạt giải còn được gọi là những người đưa hóa học vào cyberspace. Thực ra thì có rất nhiều người đã nối tiếp công việc của họ để đưa các ứng dụng máy tính vào Hóa, Sinh nhưng họ là những người đầu tiên lập ra các chương trình mô phỏng để hiểu và dự đoán các quá trình hóa học, bởi vậy mà công đầu dành cho họ.  

Giải Nobel Hóa học lần này đã vinh danh những nhà hóa học đồng thời là những người mở đường cho ngành Computational Biology, cho thấy ranh giới giữa các ngành khoa học trong sự phân loại truyền thống có nguy cơ bị xóa nhòa và trong tất cả các ngành khoa học đều đang có sự đóng góp rất lớn của máy tính. Còn nhiều nhiệm vụ đang thách thức phía trước với môn Sinh học Máy tính và   Martin Karplus, Michael Levitt  và Arieh Warshel mãi mãi là những người đầu tiên được ghi nhận công lao cho ngành nghiên cứu này.

Silencio

Mẹ tôi

Tuần vừa rồi có ngày giỗ đầu mẹ tôi, đã một năm trôi qua từ khi mẹ tôi mất. Mẹ tôi ra đi vào mùa thu, mùa thu trước mắt tôi khi này như đã cạn kiệt những đám lửa rực rỡ, chỉ còn sắc lá úa tàn rơi rụng càng lúc trông càng tan hoang mất mát.

Mẹ tôi là con gái út trong năm người con gái của người vợ thứ hai của ông ngoại tôi. Ông ngoại tôi xưa làm chánh hội, có người vợ đầu có một con trai rồi ốm mất nên lấy bà ngoại tôi. Bà ngoại tôi cũng mong có con trai mà đến mẹ tôi vẫn là gái cũng buồn lòng nhưng thương mẹ tôi lắm, giàu con út khó con út. Nhưng rồi bà ngoại tôi lại cũng mất sớm. Các chị gái mẹ tôi đi lấy chồng cả, người chị cả lấy lý trưởng, một người chị thứ lấy chánh tổng. Mẹ tôi được đi học lên mãi đến trường trung học học bằng tiếng Pháp rồi Cách mạng về thì mẹ thôi học, tham gia dạy Bình dân học vụ xóa mù chữ trong làng. Ông ngoại tôi sau đấy vài năm cũng mất. Mẹ tôi kể may mà ông mất trước khi Cải cách ruộng đất vì gia đình bị quy địa chủ. Đội cải cách gọi mẹ tôi ra đấu tố, hỏi vàng đâu. Ông bà tôi đông con, lúc mất thì khi đó nhà cũng chẳng còn của cải gì nhiều nên mẹ tôi làm gì có vàng mà khai. Tối mịt trời mưa phùn mà cứ bị gọi đi, mới tầm hai mươi tuổi mà bị người ta đấu tố tra hỏi xỉa xói nên mẹ tôi uất quá có lúc suýt nhảy xuống sông tự tử. May mà khi đó mẹ đang nuôi một đứa cháu 4 tuổi con một người chị của mẹ bị hậu sản mất nên mẹ ra đứng bờ sông rồi lại đi về. Cho nên mẹ tôi mới nói rằng khi Cách mạng về mẹ rất vui, tham gia công tác phong trào rồi dạy Bình dân học vụ nhưng cũng có nỗi khổ cực riêng trong lòng ở cái đận Cải cách là như vậy.

Rồi mẹ đi thoát ly khỏi làng lên Thái nguyên và gặp ba tôi. Đầu tiên mẹ làm ở công ty kiến trúc trên Thái nguyên rồi về Gang thép làm ở nhà trẻ. Mẹ tôi làm cô nuôi dạy trẻ rất lâu, từ hồi máy bay Mỹ còn bắn phá, mẹ phải trông trẻ theo ca sản xuất, phải đưa cả bọn trẻ xuống hầm mỗi khi có báo động máy bay đến. Mẹ tôi làm việc rất nghiêm túc và chăm chỉ nên năm nào cũng được bầu chiến sĩ thi đua. Tổng cộng mẹ tôi có 17 năm liền là chiến sĩ thi đua vì thế mà đượcđi dự đại hội chiến sĩ thi đua toàn quốc và được Nhà nước thưởng Huân chương Lao động. Mẹ tôi đã từng được xét phong tặng danh hiệu Anh hùng lao động nhưng vì mẹ chưa phải là đảng viên nên lại ngưng lại, có lẽ mẹ tôi cũng rất muốn được vào Đảng nhưng khó khăn về lý lịch nên cũng thôi. Tuy vậy mẹ tôi luôn luôn cố gắng làm việc và phấn đấu hoàn thành tốt công việc của mình không hề oán thán gì, mẹ tôi thực sự là con người có lý tưởng vì công việc chung. Mỗi khi nghĩ đến những người sống có lý tưởng thì người đầu tiên mà tôi nghĩ đến lại chính là mẹ tôi. Ở nhà trẻ, mẹ tôi thường phụ trách những nhóm cháu bé sức yếu, gọi là nhóm suy dinh dưỡng, mẹ chăm các cháu vô cùng, nhiều thế hệ đã qua tay bế bồng của mẹ tôi mà bố mẹ các cháu về sau còn cứ nhớ đến và thăm hỏi mẹ tôi khi bà đã về hưu rồi.

Khi mẹ về hưu thì tôi còn đi học đại học, mẹ tôi về nhà bày ra làm bún cho người cháu họ ở gần đấy đem bán để kiếm thêm tiền cho tôi mỗi lần tôi ở trường về kêu đói. Bây giờ nhớ lại tôi mới thấy cả cuộc đời mẹ tôi không ngơi chân tay làm việc. Lo lắng cho công việc chung, cho chồng và các con, suốt đời tôi cứ thấy mẹ chịu thương chịu khó chăm chỉ cần cù như vậy. Tôi nhớ hồi nhỏ mẹ cứ hay kéo tôi vào làm việc bếp núc mà tôi thì ham đọc sách nên cứ tìm bài chuồn, dường như ngày nhỏ tôi thân thiết với ba tôi hơn còn anh trai tôi thân thiết với mẹ tôi hơn. Anh trai tôi thường nhắc: Yến đừng cãi mẹ, nghe lời mẹ đi nào. Còn tôi thì hay tị nạnh mẹ quý anh hơn mẹ chiều anh hơn không bắt anh làm cái nọ cái kia. Càng về sau mới càng biết thương mẹ, thương những lời dạy dỗ của mẹ khi lấy chồng rồi và có con rồi. Nhất là khi ba tôi ốm, mẹ lo chăm sóc ba năm năm trời nâng lên đặt xuống mà lúc nào cũng vui vẻ không cằn nhằn than thở gì, tôi nghĩ mẹ tôi thực sự vĩ đại chứ không phải người bình thường.

Sau khi mẹ mất, một lần tôi nói chuyện với chị dâu tôi, chị kể rằng mẹ bảo trong cuộc đời mẹ có một lần đã xảy ra một chuyện mà đấy mới là lần làm cho mẹ đau khổ nhất, hơn tất cả các nỗi đau khổ mẹ phải chịu đựng trong cuộc đời. Chị bảo: là khi Yến bị ốm năm hai mươi tuổi. Tôi rùng mình. Tôi nhớ lại khi đó tôi ngồi trong giường bệnh viện nhìn ra ngoài nắng và cây, thấy mà không thấy, hoang mang, ngơ ngác và trống rỗng. Mẹ chải tóc cho tôi ngay đằng sau, im lặng. Rồi tôi cảm thấy có giọt nước ấm nóng rơi vào gáy tôi, giọt nữa, giọt nữa... Tôi quay lại nhìn mẹ, rất lâu, mắt mẹ đỏ hoe, mở rộng ôm lấy tôi. Tôi đi vào trong đôi mắt ấy, một hành trình dài nhưng êm ái và cuối cùng tôi đã tìm thấy nơi có thể yên lòng ngả lưng xuống và ngủ. Tôi thầm thì trong giấc mơ: Mẹ đừng khóc nữa mẹ ơi, trái tim con đã nghe lời mẹ ru, hồn con hồn kẻ mộng du, đã bừng tỉnh giấc đã tan u buồn, mẹ đừng để nước mắt tuôn, cho con đau xót sóng lòng cuộn dâng... Một tháng sau, tôi được ra viện. Có lẽ đó là chiến công lớn nhất trong cuộc đời mẹ tôi.

Nhớ mẹ quá, yêu mẹ quá, mẹ ơi!

Vĩnh biệt Tướng Giáp

Nhẹ như lá vàng gieo xuống đất

Thu vừa mang đi mất một người

Anh hùng xoay chuyển vận đời

Ông đi để lại muôn lời kính yêu

Thủa Pháp thuộc dân nhiều tủi cực

Nghe Cụ Hồ cứu nước ông theo

Cao Bằng rừng núi cheo leo

Lập đội giải phóng rất nghèo súng gươm

Nhờ tài trí đôi đường xuất sắc

Ông dẫn quân đánh giặc phá đồn

Nà Ngần- Phai Khắt thắng dồn

Tính sao quân ít mà chôn địch nhiều

Lại dùng lối yếu điều chế mạnh

Lấy thô sơ tranh cạnh khí tài 

Tổ tiên kinh nghiệm lâu dài

Chiến Tranh rút lại một bài: Nhân Dân

Người Anh Cả đội quân bình dị

Đã chỉ huy chiến sĩ Điện Biên

Tài tình mưu trí lập nên

Chiến công lừng lẫy vang tên địa cầu

Nước chia cắt, dãi dầu binh nghiệp

Ông cầm quân đi tiếp trường chinh

Mỹ theo gót Pháp thất kinh

Thua đau mà vẫn cúi mình phục ông

Thời bình có thong dong, Đại Tướng?

Hay nhiều phen đeo vướng thị phi

Một lòng nhẫn nại, tùy nghi

Ông mong gìn giữ chữ uy Đảng mình

Sống trọn vẹn vì tình đất nước

Cả cuộc đời ông được dân yêu

Ung dung, giản dị đến điều

Xuôi tay nhắm mắt, sóng triều mến thương

Quảng Bình đó quê hương cát gió

Xưa sinh ra nay đón ông vào

Người thày dạy sử năm nao

Đi vào lịch sử Anh Hào Thế gian...

7-10-2013

Tướng Giáp

Tướng Giáp từ nay gặp Cụ Hồ

Đội quân Giải Phóng đứng nghiêm hô

Hào khí âm vang từng trang sử

Cháu con theo dấu một cơ đồ

Buổi chiều trên sông Ottawa