Bước nhảy vọt khỏi giới hạn ánh sáng
Vào những năm đầu thế kỷ XX, kính hiển vi quang học – công cụ từng mở ra thế giới vô cùng nhỏ bé của vi khuẩn và tế bào – chạm phải bức tường vô hình. Ánh sáng nhìn thấy chỉ có thể phân giải những cấu trúc không nhỏ hơn chính bước sóng của nó. Virus, các phân tử protein hay những khuyết tật trong tinh thể kim loại vẫn là những bí mật nằm ngoài tầm với của khoa học. Đúng vào thời điểm tưởng chừng bế tắc ấy, hai kỹ sư người Đức đã nhìn thẳng vào vấn đề và đề xuất một giải pháp đột phá: thay vì tiếp tục dựa vào ánh sáng, tại sao không sử dụng chùm electron?
Ernst Ruska (bên phải) và Max Knoll (bên trái) chụp ảnh cùng phát minh của họ, kính hiển vi điện tử từ tính đầu tiên, Berlin, năm 1932.
Thấu kính điện từ: cuộc cách mạng không lời
Không phải ngẫu nhiên mà ý tưởng ấy nảy sinh trong bối cảnh nền khoa học Đức đang bừng nở những khám phá vật lý tiên phong. Theo nguyên lý quang học cổ điển, thấu kính thủy tinh bẻ cong tia sáng để phóng đại hình ảnh. Thế nhưng electron – những hạt mang điện tích – lại có thể bị điều khiển bởi từ trường.
Max Knoll và Ernst Ruska nhận ra rằng, một cuộn dây từ có thể đóng vai trò tương đương “thấu kính”, nhưng thay vì bẻ cong ánh sáng, nó sẽ hội tụ chùm electron dưới chân không, sau khi chúng được gia tốc bởi điện áp cao và xuyên qua mẫu vật.
Đây không phải là sự thay thế đơn thuần. Bước sóng của electron – phụ thuộc vào vận tốc – ngắn hơn bước sóng ánh sáng nhìn thấy hàng ngàn lần. Kết quả là, kính hiển vi điện tử có thể đạt độ phân giải vượt xa giới hạn vật lý của kính hiển vi quang học, hé lộ những cấu trúc từng bị che giấu: virus, sợi actin trong tế bào, cấu trúc tinh thể hay thậm chí là các lớp nguyên tử trong vật liệu bán dẫn.
Max Knoll và Ernst Ruska
Từ phòng thí nghiệm Berlin đến thế giới
Năm 1931, Knoll và Ruska lần đầu tiên chế tạo thành công thiết bị electron-quang học thử nghiệm. Đây chỉ là bước khởi đầu. Đến năm 1932, Ruska cải tiến thiết kế bằng cách phát triển loại thấu kính từ trường ngắn gọn hơn, đồng thời đăng ký bằng sáng chế cho cấu hình mới. Nhưng công việc chưa dừng lại ở đó.
Cùng với Bodo von Borries và đội ngũ kỹ thuật tại Siemens & Halske – tập đoàn công nghệ hàng đầu khi ấy –Ruska tiếp tục tinh chỉnh thiết bị đến mức có thể sản xuất hàng loạt vào năm 1939. Những tiến bộ không chỉ đến từ nhóm Đức.
Các nhà nghiên cứu quốc tế liên tục cải tiến nguồn phát electron, hệ thống chân không, vật liệu ổn định và kỹ thuật xử lý ảnh, biến kính hiển vi điện tử thành công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu khoa học và công nghiệp.
Thành tựu này không phải sản phẩm của một cá nhân. Knoll góp phần quan trọng trong giai đoạn hình thành khái niệm. Ruska, với vai trò lãnh đạo, đã dẫn dắt quá trình biến lý thuyết thành hiện thực. Sự hợp tác xuyên quốc gia sau đó đã đẩy nhanh tốc độ tiến hóa của công nghệ này.
Danh hiệu xứng đáng: Nobel Vật lý 1986
Năm 1986, khi Ernst Ruska nhận nửa Giải Nobel Vật lý cho công trình nền tảng về quang học electron và thiết kế kính hiển vi điện tử đầu tiên, đây không chỉ là sự công nhận cho một nhà khoa học.
Đó là sự ghi nhận cho một cuộc cách mạng đã thay đổi mãi mãi cách con người quan sát thế giới. Nửa giải thưởng còn lại thuộc về Gerd Binnig và Heinrich Rohrer vì phát minh kính hiển vi quét chui hầm – một công nghệ hình ảnh bề mặt ở cấp độ nguyên tử, cũng dựa trên nguyên lý tương tự về tương tác electron.
Kính hiển vi điện tử không đơn giản là phóng đại hình ảnh.
Nó mở ra một kỷ nguyên mới, nơi khoa học có thể nhìn xuyên qua lớp vỏ bề ngoài, khám phá những bí mật sâu thẳm của cấu trúc vật chất.
Từ y sinh học đến khoa học vật liệu, từ khảo cổ học đến điện tử học, công cụ này đã trở thành cánh cửa dẫn vào thế giới siêu nhỏ – một thế giới vốn dĩ nằm ngoài tầm nhìn của mắt thường.
Di sản không chỉ là hình ảnh
Hơn 90 năm sau ngày thiết bị đầu tiên được chế tạo, kính hiển vi điện tử đã trở thành nền tảng không thể thiếu trong nghiên cứu khoa học. Nó không chỉ giúp chúng ta nhìn thấy virus SARS-CoV-2 trong giai đoạn đại dịch, mà còn quan sát cấu trúc tinh vi của vaccine mRNA. Nó hỗ trợ việc phát triển vật liệu siêu dẫn, pin thế hệ mới hay các thiết bị điện tử tiên tiến.
Ở cấp độ vi mô, nó tiết lộ những khuyết tật trong vật liệu, giúp cải thiện chất lượng sản phẩm công nghiệp.
Ở cấp độ vĩ mô, nó góp phần giải mã những bí mật về nguồn gốc sự sống, từ cấu trúc ADN đến những phân tử hữu cơ trong không gian vũ trụ.
Câu chuyện về Ernst Ruska và Max Knoll là lời nhắc nhở về sức mạnh của tư duy đột phá.
Đôi khi, giải pháp không nằm ở việc cải tiến công nghệ hiện có, mà ở chỗ dám thay đổi hoàn toàn cách tiếp cận. Thế giới không ngừng thu nhỏ, nhưng nhờ những bước nhảy vọt như thế, con người đã có thể nhìn sâu hơn vào những giới hạn vốn tưởng chừng bất khả xâm phạm.
Nguyễn Minh Anh - © Báo TIN TỨC VIỆT ĐỨC
Theo MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT
Ý kiến bạn đọc