Trong một thế giới đa hình, đa dạng và phức tạp, có một khái niệm đặc biệt, đó là "cấu trúc". Cấu trúc là cơ sở cốt lõi của mọi sự tồn tại, từ nhỏ nhất một tinh thể đến lớn nhất một quả cầu. Nó là nền tảng cho sự hình thành và bảo trì của mọi vật chất và tinh thể. Những cấu trúc có cùng một cơ bản, có thể là những nguyên tử cơ bản, những cấu trúc hạt, những mô, những cấu trúc biểu trưng của các sinh vật hay những cấu trúc của các hệ thống phức tạp.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá những cấu trúc có cùng một cấu trúc cơ bản trên các mức độ khác nhau. Từ những cấu trúc hạt của hóa học đến những cấu trúc của các sinh vật, chúng ta sẽ tìm hiểu tại sao và làm thế nào chúng có thể có cùng một cấu trúc cơ bản.
1. Các cấu trúc hạt và phân tử cơ bản
Từ mức cao nhất xuống, chúng ta bắt đầu với những cấu trúc hạt. Các hạt là những cơ thể nhỏ nhất có thể được phân ly, chúng là cơ sở cốt lõi của tất cả các vật chất. Trong hóa học, chúng ta có thể chia sẻ một số hạt cơ bản với cấu trúc cơ bản giống nhau:
Hạt proton: Có 1 proton và 0 neutron và 1 electron.
Hạt neutron: Có 1 neutron và không proton và electron.
Hạt electron: Có 1 electron và không proton và neutron.
Các hạt này có cùng một cấu trúc cơ bản: là một mạch điện với một số lượng điện tích nhất định. Điều này cho phép chúng ta hiểu tại sao các hạt có thể hấp dẫn lẫn nhau theo quy luật điện từ cơ sở hóa học.
2. Các cấu trúc hạt trong hóa học inorgánic
Từ hạt về mức độ phân tử, chúng ta tiến tới các cấu trúc hạt trong hóa học inorgánic. Các hạt kim loại có cấu trúc gồm từ 1 đến 3 dạng hạt gồm là proton, neutron và electron. Các kim loại có thể được chia thành hai loại: kim loại dễ dàng và kim loại khó dễ dàng. Một ví dụ cho kim loại dễ dàng là natri (Na), trong đó natri hạt gồm 11 proton, 12 neutron và 11 electron. Kim loại khó dễ dàng như uranium (U) có 92 proton, 146 neutron và 92 electron. Mặc dù số lượng proton, neutron và electron khác nhau, nhưng tất cả chúng đều có cấu trúc gồm từ 3 dạng hạt với mỗi dạng hạt có một mạch điện với một số lượng điện tích nhất định.
3. Cấu trúc hạt trong hóa học hữu cơ
Trở về mức độ phân tử khác, chúng ta tiến tới hóa học hữu cơ. Các molecule như oxy (O2), carbon (C6H12O6) có cấu trúc gồm từ các nguyên tử khác nhau như oxy hạt, carbon hạt... Tuy nhiên, mỗi molecule đều có một cấu trúc gồm từ các mạch điện với mỗi mạch điện gắn liền với nhau theo một cách nhất định để tạo thành một cấu trúc bền vững. Ví dụ, O2 gồm từ hai oxy hạt gắn liền với nhau theo mô hình lin tử; C6H12O6 gồm từ sáu carbon hạt gắn liền với mỗi nhau theo mô hình chuỗi và hai oxy hạt gắn liền với carbon hạt.
4. Cấu trúc mô trong sinh học
Từ phân tử xuống đến mô, chúng ta tiến tới sinh học. Mô là một cấp độ giữa phân tử và hệ thống phức tạp hơn. Trong sinh học, mô là cơ sở cốt lõi của các sinh vật. Mỗi mô đều có một cấu trúc gồm từ các protein, DNA/RNA và các phân tử khác. Ví dụ, tế bào thượng pín (epidermal cell) của da con người gồm từ protein keratin và các chất kháng nhiễm khác; tế bào thần kinh (neuron) gồm từ protein axon và dendrite... Mặc dù các mô khác nhau về chức năng và dạng hình, nhưng chúng đều có cơ sở cốt lõi là các mạch sinh học gắn liền với nhau theo mô hình nhất định để tạo thành mô bền vững và hoạt động bình thường.
5. Cấu trúc hệ thống phức tạp
Từ mô xuống đến hệ thống phức tạp hơn, chúng ta tiến tới những cấu trúc lớn hơn như các sinh vật cá thể hoặc tổ chức sinh học. Một ví dụ là hệ thống miễn dịch của con người gồm từ nhiều tế bào khác nhau gắn liền với nhau theo mô hình nhất định để bảo vệ cơ thể khỏi các tác động bên ngoài. Mỗi tế bào đều có chức năng riêng biệt như sản xuất axit amin hoặc tiết ra các chất kháng nhiễm... Tuy nhiên, tất cả chúng đều gắn liền với nhau theo một cấu trúc tổng thể để hoạt động bình thường cho toàn bộ cơ thể.
6. Tầm nhìn rộng hơn: Công nghệ nano và cấu trúc nanomaterial
Trong thời đại hiện nay, công nghệ nano cho phép chúng ta xét kỹ hơn về cấu trúc nanomaterial - những vật chất nano có kích thước từ nanomet (nm) đến micromet (μm). Các nanomaterial có thể được chế tạo với nhiều hình dạng khác nhau như cầu, hình vanhoặc hình lưới... Tuy nhiên, mặc dù kích thước nhỏ nhưng chúng vẫn giữ nguyên cơ sở cốt lõi là các mạch điện hoặc mô hình giao thoại giữa các nguyên tử cơ bản gắn liền với nhau theo mô hình nhất định để tạo thành một cấu trúc bền vững và có tính năng riêng biệt. Ví dụ, nanotuýp carbon (CNT) là một nanomaterial được chế tạo từ carbon hạt gắn liền với nhau theo mô hình linh hoạt để tạo thành một cấu trúc bền vững với tính chất di chuyển điện tử cao.
Kết luận: Từ nhỏ đến lớn, cùng một cấu trúc cơ bản
Trong suốt bài viết này, chúng ta đã khám phá những cấu trúc có cùng một cấu trúc cơ bản trên các mức độ khác nhau: từ hạt quantique đến nanomaterial. Mỗi cấp độ đều giữ nguyên cơ sở là các mạch điện hoặc mô hình giao thoại giữa các nguyên tử cơ bản gắn liền với nhau theo mô hình nhất định để tạo thành một cấu trúc bền vững và hoạt động bình thường. Điều này cho phép chúng ta hiểu tại sao và làm thế nào những sự khác biệt trên các cấp độ khác nhau lại có thể chia sẻ cùng một cốt lõi cơ bản về cấu trúc.
Cùng một cấu trúc không chỉ là một khái niệm lý thuyết mà còn là một khái niệm thực tế quan trọng cho khoa học và công nghệ ngày nay. Nó cho phép chúng ta hiểu bằng cách nào các sự vật liệu hoạt động với nhau trên nhiều cấp độ khác nhau và làm thế nào chúng ta có thể điều khiển và sử dụng chúng để đáp ứng nhu cầu của xã hội ngày nay. Vì vậy, việc nghiên cứu về cấu trúc sẽ tiếp tục là một lĩnh vực quan trọng cho khoa học và công nghệ trong tương lai.
