Giải thưởng Tạ Quang Bửu năm 2018 được trao cho 3 nhà khoa học

Theo đó, có 2 nhà khoa học được trao Giải thưởng chính và 1 nhà khoa học được trao Giải thưởng trẻ Giải thưởng Tạ Quang Bửu năm 2018: 1) PGS.TS Phạm Văn Hùng - Trường Đại học quốc tế, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh với công trình “ Nghiên cứu khả năng tiêu hóa và sinh đường của các loại tinh bột gạo có hàm lượng amylose khác nhau và tinh bột gạo biến đổi bằng phương pháp vật lý ” (In vitro digestibility and in vivo glucose response of native and physically modified rice starches varying amylose contents); 2) TS Trần Đình Phong - Trường Đại học KH&CN Hà Nội, Viện Hàn lầm KH&CN Việt Nam với công trình “ Cấu trúc polymer và cơ chế hoạt động xúc tác tạo H ₂ của molybdenum sulfide vô định hình” (Coordination polymer structure and revisited hydrogen evolution catalytic mechanism for amorphous molybdenum sulfide); và 3) Giải thưởng trẻ dành cho TS Đỗ Quốc Tuấn - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội với công trình “Hấp dẫn phi tuyến nhiều chiều có khối lượng” (Higher dimensional nonlinear massive gravity). Tạp chí KH&CN Việt Nam xin giới thiệu ý nghĩa nổi bật của các công trình này.

Bước tiến mới trong nghiên cứu sản xuất thực phẩm chức năng phòng chống các bệnh tiểu đường và béo phì

Hiện nay các bệnh béo phì, tiểu đường, tim mạch, đột quỵ, ung thư đang ngày càng phát triển cả ở Việt Nam và trên thế giới. Ở Việt Nam, tỷ lệ mắc bệnh thừa cân, béo phì và tiểu đường tăng lên đáng kể trong thời gian gần đây, với tốc độ cao nhất thế giới, đặc biệt là ở lứa tuổi học sinh. Nguyên nhân chính gây bệnh tiểu đường và béo phì là do cơ thể bị rối loạn chuyển hóa carbohydrate khi hooc môn insulin của tụy bị thiếu hụt, giảm tác động trong cơ thể, biểu hiện ở mức đường trong máu luôn cao. Đối với người đã mắc bệnh béo phì và tiểu đường thì ngoài việc uống thuốc hỗ trợ, cần phải có chế độ ăn hạn chế carbohydrate. Do đó, vấn đề nghiên cứu phát triển các sản phẩm thực phẩm sinh đường thấp nhằm phòng chống các bệnh béo phì và tiểu đường là rất quan trọng và cần thiết. Gạo là sản phẩm nông nghiệp chủ yếu và cũng là sản phẩm xuất khẩu có giá trị của Việt Nam. Hiện nay gạo là nguồn lương thực chính của người dân Việt Nam. Tuy nhiên trong gạo có chứa nhiều tinh bột (~90% khối lượng chất khô hạt), đây là thành phần chính để tạo ra đường và chuyển hóa thành năng lượng cung cấp cho cơ thể. Xuất phát từ các câu hỏi liệu có phải ăn nhiều cơm mà tỷ lệ người mắc bệnh béo phì và tiểu đường ở Việt Nam ngày càng tăng? Có phải tất cả các loại gạo đều sinh ra hàm lượng đường trong máu cao và có phương pháp nào làm giảm khả năng sinh đường của các loại gạo? PGS.TS Phạm Văn Hùng (Trường Đại học quốc tế, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh) cùng các cộng sự đã thực hiện công trình “Nghiên cứu khả năng tiêu hóa và sinh đường của các loại tinh bột gạo có hàm lượng amylose khác nhau và tinh bột gạo biến đổi bằng phương pháp vật lý” (In vitro digestibility and in vivo glucose response of native and physically modified rice starches varying amylose contents).

Trong công trình nghiên cứu của mình, PGS.TS Phạm Văn Hùng và cộng sự đã lựa chọn 5 loại gạo phổ biến của Việt Nam, gồm Hàm Trâu (OM576), 504 (IR50404), 64 (IR64), Hương Lài (Jasmine 85) và Nếp cái hoa vàng để nghiên cứu về cấu trúc và khả năng tiêu hóa, khả năng sinh đường và chỉ số đường huyết (GI) của các loại gạo này nhằm tìm ra cơ chế tạo kháng tiêu hóa của các phân tử tinh bột có khối lượng phân tử và độ dài mạch khác nhau. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hàm lượng amylose của tinh bột từ 5 loại gạo này rất khác nhau (gạo Hàm Trâu có chứa 30,6% amylose, gạo 64 có chứa 26,7% amylose, gạo 504 có chứa 24,3% amylose, gạo Hương Lài có chứa 21,7% amylose và gạo Nếp cái hoa vàng có chứa 4,7% amylose). Các loại tinh bột có hàm lượng amylose thấp thường chứa các phân tử có trọng lượng trung bình cao hơn so với các loại tinh bột có hàm lượng amylose cao. Nghiên cứu về tính chất hóa lý của các loại tinh bột này cho thấy tính chất hóa lý của chúng phụ thuộc vào hàm lượng amylose và cấu trúc phân tử của tinh bột. Kết quả nghiên cứu về khả năng kháng tiêu hóa in vitro cho thấy, các loại tinh bột gạo có hàm lượng tinh bột tiêu hóa nhanh chiếm khoảng 77-90%, trong đó loại tinh bột gạo có hàm lượng amylose cao có hàm lượng tinh bột tiêu hóa nhanh cao hơn so với loại tinh bột gạo có hàm lượng amylose thấp. Điều này cho thấy, các loại gạo có hàm lượng amylose cao sau khi nấu sẽ dễ dàng bị thủy phân bởi các enzyme amylase và sinh ra lượng đường lớn hơn so với các loại gạo có hàm lượng amylose thấp. Để xác định khả năng sinh đường của các loại tinh bột gạo, nhóm nghiên cứu đã tiến hành đánh giá khả năng kháng tiêu hóa in vivo và chỉ số GI của chúng. Chỉ số GI được xác định bằng cách đo đường huyết của chuột sau khi cho ăn cùng một lượng các loại tinh bột khác nhau và đường glucose được dùng để so sánh. Sau khi cho chuột ăn, kết quả cho thấy lượng glucose tạo thành trong máu ở thời điểm 30 phút sau khi ăn là cao nhất (180 mg/dl). Lượng đường glucose tạo ra trong máu chuột sau khi ăn các loại gạo thấp hơn so với sau khi uống dung dịch đường glucose nguyên chất ở cùng một lượng với các loại gạo do trong gạo còn chứa nhiều chất khác ngoài tinh bột, bao gồm cả lượng tinh bột kháng tiêu hóa (RS). Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu cũng cho thấy chỉ số GI của 5 loại tinh bột gạo đều rất cao. Điều này có thể giải thích rằng khi bị hồ hóa thì cấu trúc của hạt tinh bột bị phá vỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho enzyme thủy phân thành đường. Tuy nhiên, đối với tinh bột gạo nếp do có hàm lượng amylopectin cao, khối lượng phân tử lớn và độ kết tinh cao nên khi bị hồ hóa chúng vẫn giữ được cấu trúc kết tinh và kháng lại sự thủy phân của enzyme amylase. Như vậy kết quả nghiên cứu cho thấy, hầu hết các loại tinh bột gạo đều có chỉ số GI ≥ 70 và được xếp vào loại thực phẩm có chỉ số GI cao. Từ các kết quả này có thể thấy, khi ăn một lượng lớn cơm hàng ngày sẽ sản sinh một lượng đường rất lớn trong cơ thể, đây là một trong những nguyên nhân gây ra bệnh béo phì và tiểu đường ở những bệnh nhân rối loạn chức năng chuyển hóa đường . Kết quả của công trình nghiên cứu cũng có ý nghĩa quan trọng trong việc tìm ra mối liên hệ giữa cấu trúc phân tử của tinh bột với khả năng kháng lại sự thủy phân của các enzyme có trong hệ tiêu hóa của con người. Đây cũng là gợi ý cho các nhà sinh học và nông học nghiên cứu về chọn tạo giống để tạo ra các loại gạo có cấu trúc tinh bột có khả năng kháng tiêu hóa nhằm làm giảm chỉ số đường huyết của gạo.

Trong công trình này, nhóm nghiên cứu cũng đã đánh giá sự thay đổi cấu trúc và mức độ kháng tiêu hóa của các loại tinh bột gạo sử dụng các phương pháp biến đổi vật lý bằng nhiệt và ẩm, đây là các phương pháp phổ biến để sản xuất các loại tinh bột có hàm lượng RS cao. Sau khi xử lý, chỉ số GI của các loại tinh bột giảm đi đáng kể. Tinh bột biến đổi bằng phương pháp ẩm kết hợp nhiệt cho chỉ số GI thấp hơn so với tinh bột biến đổi bằng phương pháp nhiệt kết hợp ẩm. Điều này cho thấy, cơ chế tạo thành RS là do các phân tử tinh bột có mạch ngắn dễ dàng kết hợp với nhau bằng liên kết hydro tạo mạch xoắn có cấu trúc không gian ngăn cản các enzyme kết hợp vào để thủy phân chúng. Trong khi đó, các phân tử tinh bột có cấu trúc lớn hơn sẽ liên kết với nhau khó khăn hơn nên dễ dàng bị enzyme thủy phân hơn. Các kết quả nghiên cứu này có ý nghĩa rất quan trọng trong công nghiệp sản xuất tinh bột kháng tiêu hóa dùng làm thực phẩm chức năng có khả năng sinh đường thấp sử dụng cho các bệnh nhân tiểu đường và béo phì.

Từ các kết quả trên có thể thấy, các loại tinh bột gạo có chỉ số GI rất cao. Tuy nhiên, sử dụng các phương pháp biến đổi vật lý đã làm giảm đáng kể chỉ số GI của các loại tinh bột gạo. Trong công trình này, nhóm nghiên cứu đã tạo ra được các sản phẩm tinh bột có chỉ số GI trung bình và thấp.

Các kết quả nghiên cứu đạt được của nhóm nghiên cứu đã được đánh giá cao khi được chấp nhận đăng trên Tạp chí Food Chemistry (SCI, IF = 4,498, Q1) và đã có được 30 trích dẫn trong giai đoạn 2016-2017. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa cả về mặt khoa học và ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực công nghệ sinh học, khoa học dinh dưỡng, công nghệ thực phẩm và chuyên ngành hóa hữu cơ.

Nhóm nghiên cứu của PGS.TS Phạm Văn Hùng đang thử nghiệm sản phẩm thực phẩm sinh đường thấp từ tinh bột kháng tiêu hóa.

Phát hiện cấu trúc và cơ chế hoạt động của một xúc tác rẻ tiền thay thế bạch kim trong điều chế H ₂ từ nước

Đây là những kết quả nổi bật của công trình “Cấu trúc polymer và cơ chế hoạt động xúc tác tạo H ₂ của molybdenum sulfide vô định hình” được đăng trên Tạp chí Nature Mateials [Phong D. Tran, Thu V. Tran, Maylis Orio, Stephane Torelli, Quang Duc Truong, Keiichiro Nayuki, Yoshikazu Sasaki, Sing Yang Chiam, Ren Yi, Itaru Honma, James Barber, Vincent Artero (2016), “Coordination polymer structure and revisited hydrogen evolution catalytic mechanism for amorphous molybdenum sulfide”, Nature Materials , 15 , pp.640-646]. Đây là công trình của TSKH Trần Đình Phong (Trường Đại học KH&CN Hà Nội) và cộng sự.

Chuyển đổi năng lượng Mặt trời thành năng lượng hoá học tích trữ trong phân tử H ₂ thông qua phân tách quang hoá nước (solar water splitting) đang được xem là một giải pháp công nghệ có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng, đồng thời hạn chế ô nhiễm môi trường do việc đốt nhiên liệu hoá thạch gây ra. Quá trình phân tách quang hoá nước tạo H ₂ có thể được thực hiện với một chiếc lá nhân tạo (artificial leaf). Trong công nghiệp, nhiên liệu H ₂ đang được sản xuất từ khí thiên nhiên, thách thức hiện nay là thiết kế được các lá nhân tạo có thể sản xuất được H ₂ từ nước với giá thành rẻ hơn H ₂ từ khí thiên nhiên. Để đạt được mục tiêu đó, các thành phần cấu tạo nên một chiếc lá nhân tạo phải được chế tạo từ những vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm, có trữ lượng lớn trên Trái đất.

Bạch kim (Pt) được biết tới là chất xúc tác tốt nhất cho phản ứng khử proton (H ⁺ ) thành H ₂ trong nước. Tuy nhiên, do trữ lượng Pt trên Trái đất rất thấp, rất nhiều các nghiên cứu đang được tiến hành nhằm xác định những vật liệu xúc tác mới có thể thay thế Pt trong thiết kế chế tạo lá nhân tạo. Trong đó, vật liệu vô định hình molybdenum sulfide (thường được viết là a-MoS _x ) đang được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm. Ngoài khả năng xúc tác rất tốt, vật liệu này có thể được chế tạo với lượng lớn bằng nhiều phương pháp hoá học và vật lý khác nhau. Tuy nhiên cho đến gần đây, cấu trúc và cơ chế hoạt động xúc tác của vật liệu này vẫn chưa được xác định một cách đầy đủ. Một số nhà nghiên cứu trên thế giới đã đề nghị một cấu trúc và cơ chế hoạt động tương tự như vật liệu tinh thể đa lớp MoS ₂ cho a-MoS _x . Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu do nhóm nghiên cứu của TSKH Trần Đình Phong thực hiện đã chỉ ra rằng, vật liệu vô định hình a-MoS _x có cấu trúc khác xa vật liệu tinh thể đa lớp MoS ₂ . a-MoS _x được xác định là một polymer với các đơn vị cấu trúc (monomer) là các cluster [Mo ₃ S ₁₃ ] ^2- . Các cluster này chia sẻ với nhau 2 trong 3 phối tử đầu (S ₂ ) ^2- (terminal disulfide ligands) để tạo thành mạch polymer. Phối tử đầu (S ₂ ) ^2- còn lại được giữ tự do. Mạch polymer có thể có dạng thẳng hoặc cuộn tròn tuỳ từng hạt nano a-MoS _x . Quan trọng hơn, nghiên cứu này cũng cho thấy các sai hỏng cấu trúc Mo-vacant, Mo=O mới thực sự là trung tâm xúc tác. Điều này gợi ý các phương pháp có thể làm tăng hoạt tính xúc tác của vật liệu a-MoS _x bằng việc tạo ra nhiều sai hỏng cấu trúc trên, ví dụ bằng xử lý plasma O ₂ , oxy hoá trong điều kiện mềm. Một cách khác là khảo sát các vật liệu vô định hình (polymer) đồng đẳng như a-MoSe _y . Thực tế, a-MoSe _y và a-MoS _x có hoạt tính xúc tác và cách ứng xử trong điều kiện làm việc hoàn toàn giống nhau [kết quả được công bố gần đây, xem tại: Tran and coll (2018), “Novel Amorphous Molybdenum Selenide as an Efficient Catalyst for Hydrogen Evolution Reaction”, ACS Appl. Mater. Interfaces, 10 (10) , pp.8.659-8.665].

Sử dụng xúc tác a-MoS _x này cùng với một xúc tác oxy hoá nước tạo O ₂ (xúc tác vô định hình CoMoO _x ) và một tấm pin mặt trời Si phù hợp, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công một lá nhân tạo có hiệu suất tách nước là 3% từ năng lượng Mặt trời tạo H ₂ . Một chiếc lá nhân tạo có cấu trúc trương tự (nhưng với hai xúc tác khác: ZnNiMo cho phản ứng khử H ⁺ thành H ₂ và CoPi cho phản ứng oxy hoá nước tạo O ₂ ) có hiệu suất 4,7% đã được nhóm nghiên cứu của GS Nocera (MIT) công bố trên Science năm 2011 [Nocera and coll (2011), “Wireless Solar Water Splitting Using Silicon-Based Semiconductors and Earth-Abundant Catalysts”, Science , 334 , pp.645-648]. Hiện nay, TSKH Phong cùng nhóm nghiên cứu đang tiếp tục hoàn thiện thiết kế lá nhân tạo của mình với mục đích đạt được hiệu suất chuyển hoá tạo H ₂ trên 10% như phân tích của Cơ quan năng lượng Mỹ (US DOE).

Hấp dẫn phi tuyến nhiều chiều có khối lượng

Lý thuyết hấp dẫn phi tuyến có khối lượng được đề xuất vào các năm 2010 và 2011 bởi 3 nhà vật lý làm việc tại Mỹ, đó là de Rham, Gabadadze và Tolley như một lời giải khắc phục trọn vẹn các điểm yếu của lý thuyết hấp dẫn có khối lượng (trong đó các hạt graviton truyền tương tác hấp dẫn được giả định có khối lượng khác 0, được đề xuất vào năm 1939 bởi  Fierz - nhà vật lý người Thụy Sỹ và Pauli - nhà vật lý người Áo). Mới đây, trong một nghiên cứu của mình, TS Đỗ Quốc Tuấn (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội) đã chứng minh được rằng, sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ có thể được giải thích từ lý thuyết hấp dẫn phi tuyến có khối lượng trong không - thời gian không những 4 chiều mà còn nhiều chiều. Đây là một trong những phát hiện quan trọng của công trình “ Higher dimensional nonlinear massive gravity” (tạm dịch: Hấp dẫn phi tuyến nhiều chiều có khối lượng) đăng trên Physical Review D - Tạp chí uy tín hàng đầu thế giới về vật lý lý thuyết.

Dựa trên các ý tưởng về không - thời gian nhiều chiều trong lý thuyết Kaluza-Klein, lý thuyết dây (string theory) và siêu hấp dẫn (super - gravity), việc mở rộng lý thuyết hấp dẫn phi tuyến có khối lượng lên không - thời gian có số chiều lớn hơn 4 là cần thiết, ít nhất là về mặt lý thuyết. Tuy nhiên, hầu hết các bài báo trước đó đều chỉ tập trung thảo luận các nghiệm vật lý, vũ trụ của lý thuyết hấp dẫn phi tuyến có khối lượng trong không - thời gian 4 chiều. Đó cũng chính là lý do thúc đẩy TS Đỗ Quốc Tuấn nghiên cứu lý thuyết hấp dẫn phi tuyến có khối lượng trong không - thời gian nhiều chiều. Kết quả của quá trình nghiên cứu gần 2 năm của tác giả đã được đúc kết thành 2 bài báo (mỗi bài dài 21 trang) đăng trên tạp chí Physical Review D năm 2016 (“Higher dimensional nonlinear massive gravity”, Phys. Rev. D , 93 , 104003; “Higher dimensional massive bigravity”, Phys. Rev. D , 94 , 044022). Sau khi các bản thảo của hai bài báo được công bố, tác giả đã nhận được những phản hồi tích cực qua email từ các nhà khoa học hàng đầu trong lĩnh vực lý thuyết hấp dẫn phi tuyến có khối lượng như: de Rham, Tolley, Hassan, Hinterbichler, Odintsov, Brito,  Babichev, Zhou, Heisenberg, Von  Strauss, và Schmidt-May.

Thông qua công trình nghiên cứu, TS Đỗ Quốc Tuấn đã chỉ ra cách xây dựng số hạng graviton không có ghost trong không - thời gian có số chiều bất kỳ dựa trên phương trình đặc trưng (characteristic equation) của ma trận vuông, một hệ quả của định lý Cayley-Hamilton trong đại số. Các phương trình trường Einstein của metric vật lý (physical metric) và phương trình trường của metric tham chiếu (reference metric) đã được dẫn giải ra một cách chi tiết. Từ đó, tác giả thu được một kết quả thú vị, đó là các số hạng graviton trở thành hằng số vũ trụ hiệu dụng (effective cosmological constant). Điều này có nghĩa là, bản chất của hằng số vũ trụ - liên quan tới sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ, có thể được giải thích từ lý thuyết hấp dẫn phi tuyến có khối lượng không - thời gian không những 4 chiều mà còn nhiều chiều. Bên cạnh các kết quả này, TS Đỗ Quốc Tuấn cũng tìm  được  một  số  nghiệm  vũ  trụ  điển  hình  như không - thời gian Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker, Bianchi type I, và hố đen Schwarzschild-Tangherlini trong mô hình hấp dẫn phi tuyến 5 chiều có khối lượng. Giá trị cụ thể của hằng số vũ trụ hiệu dụng cũng được chỉ ra trong mô hình 5 chiều này. Đây chính là những nghiệm đầu tiên tìm được trong lý thuyết hấp dẫn phi tuyến nhiều chiều có khối lượng. Điều này chỉ ra rằng, lý thuyết hấp dẫn phi tuyến nhiều chiều có khối lượng hoàn toàn không “tầm thường” về mặt vật lý và vũ trụ học. Các kết quả trong không - thời gian 4 chiều hoàn toàn có thể mở rộng lên không - thời gian 5 chiều hoặc cao hơn nữa.

http://khoahocvacongnghevietnam.com.vn