Khởi nghiệp từ học toán
Sinh ra trong một gia đình “nòi” nghệ thuật nhưng dường như Nguyễn Thế Toàn không hề bị “vận hành” bởi cái nghiệp gia đình. Ngay từ nhỏ, bố anh-nhà văn Nguyễn Nghiệp-đã có ý định hướng cậu con “độc” theo nghiệp văn chương hay hội họa, nhưng Toàn lại khăng khăng đòi… học toán. Những con số và các phép tính “hữu xạ tự nhiên hương” ngấm vào anh từ lúc nào để như anh nói, “cứ hút hồn vào mấy thứ đó…”. Trong suốt khoảng thời gian từ cấp 1 đến cấp 3 cậu bé Toàn theo học chuyên toán và luôn đứng hàng “top” của lớp. “May mắn lớn nhất của tôi là luôn được gia đình ủng hộ. Mặc dù vất vả tần tảo lao động nhưng bố mẹ không để anh em tôi phải lo lắng gì cả ngoài học”, anh Toàn cho biết.
Miệt mài loay hoay bên các bài toán khó, Nguyễn Thế Toàn mới cảm nhận thấy, “những quy luật của toán học cũng đẹp đẽ và hài hòa như nghệ thuật vậy”. Và có lẽ cảm nhận được vẻ đẹp của toán học mà nhà văn Nguyễn Nghiệp đã “cởi trói” cho cậu con trai của mình. Không phụ lòng tin của gia đình và thầy cô, anh đã luôn phấn đấu trở thành học sinh giỏi, đoạt giải nhất toán quốc gia và được xét chọn vào đội tuyển toán quốc tế.
Đam mê toán như vậy nhưng đối với anh, “toán học chỉ như là một công cụ” để rồi sau đó anh “ngắm” vào Đại học Tổng hợp theo đuổi ước mơ trở thành nhà vật lý, được làm khoa học. “Tôi muốn nghiên cứu cái gì đó thật thực tế và vật lý là một sự lựa chọn. Nếu theo học ở ĐHSP tôi sẽ là một giáo viên, còn ở Đại học Tổng hợp tôi có cơ hội trở thành một nhà khoa học” - anh Toàn nói - “Nghiên cứu khoa học luôn tạo cho mình cái mới mẻ và được thả sức tự do sáng tạo”.
Bước chân vào giảng đường đại học, Nguyễn Thế Toàn đã chọn chuyên ngành vật lý lý thuyết, một quyết định thời đó được cho là…kỳ lạ trong khi hầu hết bạn bè cùng lứa lại theo học những chuyên ngành vật lý thiết thực hơn như vật lý vô tuyến, vật lý quang phổ,…để mong ra trường dễ dàng tìm được việc làm. Chỉ có một thầy một trò, dưới sự hướng dẫn của GS.Nguyễn Quang Báu, anh bảo vệ xuất sắc đề tài “Nghiên cứu về sự hấp thụ ánh sáng của hệ điện tử hai chiều”.
Được sự giúp đỡ của GS. Nguyễn Quang Báu, Nguyễn Thế Toàn “apply” tới Trung tâm Vật lý lý thuyết Quốc tế ở Trieste (Ý) và Đại sứ quán Úc, cả hai đều đồng ý cấp học bổng nhưng Nguyễn Thế Toàn đã chọn nước Ý theo học khóa học do UNESCO thành lập cho sinh viên ưu tú các nước thế giới thứ ba. “Khi mới sang học tôi cảm thấy như từ sông ra bể. Đối mặt với lượng kiến thức khổng lồ, những gì tôi học được chỉ là muối bỏ bể”, anh Toàn cho biết. Được tiếp xúc với những giáo sư đẳng cấp quốc tế, những phòng thí nghiệm hiện đại nhưng có lẽ thư viện với vô vàn đầu sách đã cuốn hút chàng trai trẻ như một ma thuật để rồi như anh nói, “suốt ngày rú vào góc thư viện”. Mặc dù trong một năm phải học “nén” chương trình nhưng anh vẫn luôn dẫn đầu lớp học.

Nhà vật lý nghiên cứu…sinh học
Hoàn thành khóa học ở Trieste, do thành tích học tập xuất sắc, GS.Baldereschi đã xin cho anh học bổng nghiên cứu sinh tại trường đại học EPFL danh giá của Thụy Sỹ ở Lausanne. Khước từ thiện chí của GS.Baldereschi, được GS.Woods Halley giúp đỡ và GS. Nguyễn Văn Liễn tìm thầy, anh quyết định theo học nghiên cứu sinh tại Đại học Minnesota ở Mỹ, mặc dù bạn bè cũng đều khuyên anh nên chọn Thụy Sỹ. Tại Đại học Minnesota, Nguyễn Thế Toàn đã chọn nghiên cứu về vật liệu mềm. Sau khi bảo vệ luận án tiến sỹ về “Hiệu ứng đảo điện tích trong các hệ vật liệu mềm”, anh tiếp tục theo đuổi 2 năm làm postdoc tại Đại học Chicago. Và cũng từ đây, Nguyễn Thế Toàn chuyển sang một lĩnh vực hoàn toàn mới-vật lý sinh (Biophysics). “Đây là một lĩnh vực mới mẻ nhưng đầy tiềm năng. Khối lượng dữ liệu sinh học là rất lớn nhưng rất ít nhà vật lý nghiên cứu”- anh Toàn cho biết - “Tuy là đối tượng sinh học nhưng lại ẩn chứa những bài toán vật lý thú vị”.
Bài toán đầu tiên thuộc lĩnh vực này mà Nguyễn Thế Toàn tiếp cận là bài toán về màng phổi. Như muốn chỉ cho tôi thấy sự thú vị của ngành khoa học này anh phấn khởi cho biết, “Quá trình tiến hóa đã tạo cho lá phổi có một tính chất siêu việt kỳ lạ”, rồi anh giải thích, “Trải màng phổi ra có thể lớn bằng diện tích của một sân tenis. Nếu chúng ta nén cả sân tenis vào một diện tích nhỏ cần phải tốn một lực rất lớn để thắng sức căng bề mặt. Nhưng thật là kỳ lạ, mỗi lần hít thở, mặc dù diện tích của màng phổi thay đổi mấy lần nhưng chúng ta lại không hề cảm thấy tốn một chút công sức nào do tiến hoá đã làm màng phổi có sức căng bề mặt rất nhỏ. Việc nghiên cứu cấu trúc của màng phổi sẽ hứa hẹn mở ra một loại vật liệu tiềm năng, hoặc tìm ra những phương pháp điều trị mới”. Với hai năm nghiên cứu về độ đàn hồi của màng phổi anh đã tích lũy được những kinh nghiệm đầu tiên về một lĩnh vực còn chưa được nhiều người khai phá.
Tiếp theo những năm làm postdoc tại Đại học California ở Los Angeles, Nguyễn Thế Toàn bắt tay vào nghiên cứu…“virus” HIV. Nghe khá lạ tai tôi đặt câu hỏi: nghiên cứu virus là việc của các nhà sinh học, hoặc y sinh chứ nhà vật lý thì can dự gì? Anh cười và giải thích: “Bản thân virus tuy là đối tượng sinh học nhưng lại là một đối tượng vật lý tuyệt vời. Bản chất virus giống như một loại vật liệu vô cơ hơn là một sinh vật. Bởi vậy, các nguyên tắc vật lý có thể được áp dụng rất tốt để nghiên cứu các quá trình tự tạo lập, biến đổi trạng thái của virus… để có được bức tranh mô tả chi tiết về “đời sống” của virus, …”. Sở dĩ Nguyễn Thế Toàn chọn virus HIV bởi vì trước hết đây là loại virus gây nên căn bệnh AIDS thế kỷ, nhưng hơn nữa quá trình thoát và xâm nhập của loại virus này khác biệt với các loại virus khác, con người ngày nay vẫn chưa hiểu rõ về cấu trúc phân tử cũng như chi tiết  về  “đời sống” của HIV.
“Sử dụng các phương pháp vật lý để tiếp cận các đối tượng sinh học, đối với tôi, mỗi bài toán đặt ra là một điều mới mẻ nhưng ẩn chứa những ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực y học và vật liệu”, anh nói.

“Tôi sẽ chọn con đường trở về…”
Dám chấp nhận dấn thân vào một ngành khoa học mới và còn rất “lạ” với giới trẻ Việt Nam, ở tuổi 33, Nguyễn Thế Toàn đã nghiễm nhiên có cho mình một “chân” giáo sư ở Viện Công nghệ Georgia (Mỹ). Ở tuổi nghề còn khá trẻ này nhưng anh đã công bố hơn 20 bài báo trên các tạp chí quốc tế uy tín như Nature, Physical Review, Physical Review Letter, Review of Modern Physics… “Bình quân mỗi năm tôi công bố 2-3 bài báo trên các tạp chí quốc tế uy tín, nhưng cũng có năm công việc nghiên cứu “thuận buồm xuôi gió” có thể công bố đến 5 bài”, anh Toàn cho biết. Nếu so với tuổi đời và tuổi nghề, chắc hẳn những gì mà vị giáo sư trẻ này làm được khiến nhiều nhà khoa học phải đáng nể.
Xu hướng nghiên cứu hiện nay mang tính liên ngành, lĩnh vực vật lý sinh đã minh chứng cho khả năng “cộng sinh” giữa hai lĩnh vực mà mới nghe có vẻ như là hoàn toàn chẳng liên quan gì với nhau. “Ở những nước có nền khoa học phát triển như Mỹ, Úc hay châu Âu, tính liên ngành trong nghiên cứu khá phổ biến cho phép các nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực có thể hợp tác nghiên cứu cùng nhau. Còn ở nước ta, hầu như các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau chưa tìm được những điểm chung để hợp tác nên vẫn “thụ thụ bất thân”. Anh Toàn cho biết, đó cũng là một lý do anh ước muốn được trở về nước làm việc góp phần phát triển lĩnh vực vật lý sinh, một lĩnh vực mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng đối với hoàn cảnh thực tế của đất nước trong môi trường, năng lượng và y tế.