Nhện nhả siêu tơ chứa ống nano cacbon và graphene

Tơ nhện là chất liệu siêu bền, cứng hơn thép, dai hơn nylon, co dãn tốt hơn sợi Kevlar, được cấu tạo từ protein. Các nhà khoa học tại Ý đã kết hợp các ống nano cacbon và graphene vào tơ nhện để tạo ra một loại tơ có độ cứng và độ khỏe lớn hơn bất kỳ loại sợi nào.

Tơ nhện là một trong những loại vật liệu tuyệt vời nhất của tự nhiên.

Được tạo ra từ protein, tơ nhện mạnh hơn hầu hết tất cả các loại vật liệu con người từng tạo ra. Cụ thể, tơ nhện có độ bền kéo (tensile strength) ngang bằng với hợp kim thép cao cấp nhưng lại có khối lượng riêng nhẹ bằng 1/6. Nó cũng có khả năng chịu kéo dãn rất cao, có khi lên đến gấp 5 lần độ dài ban đầu. Hệ quả là độ cứng (toughness), đo bằng năng lượng hấp thụ trên một đơn vị thể tích của nó lớn gấp khoảng 5 lần hợp kim thép cao cấp và bằng khoảng 1/2 sợi Kevlar, loại sợi mà hiện nay đang được sử dụng làm giáp chống đạn.

Để có được các tính chất trên, nhện đã phải trải qua 400 triệu năm tiến hóa. Do vậy, sẽ thật ấn tượng khi chúng ta biết rằng gần đây, các nhà khoa học tại đại học Trento ở Ý đã tìm ra cách kết hợp các ống nano cacbon và graphene vào tơ nhện. Kết quả thu được là một loại tơ nhện có độ cứng và độ khỏe lớn hơn bất kỳ loại sợi nào được biết từ trước đến nay.

Dù tạo ra loại vật liệu tốt như vậy nhưng cách tiếp cận của nhóm khá là đơn giản. Bắt đầu với 15 cá thể nhện Pholcidae thu thập được ở đồng quê Ý, nhóm nghiên cứu nuôi chúng trong phòng thí nghiệm và lấy các mẫu tơ nguyên thủy để tham chiếu sau này.

Các chú nhện sau đó sẽ được phun nước có chứa các ống nano cabon và tinh thể graphene hình hoa tuyết lên trên cơ thể. Tơ nhện sản sinh ra sau quá trình này sẽ được đem đi đo đạc tính chất.

Điều ngạc nhiên đã đến với nhóm nghiên cứu khi kết quả đo cho thấy độ bền chống đứt gãy (Fracture strength) của tơ nhện mới này lên đến 5.4 GPa, suất Young lên đến 47.8 GPa, cả hai đều cao hơn khoảng 5 lần so với trước. Trong khi đó, mô đun cứng đạt trị số 2.1 GPa. Đây là trị số cao nhất từ trước đến nay, tất nhiên là cao hơn cả sợi Kevlar.

Nói cách khác, chỉ bằng cách làm đơn giản trên, loại tơ nhện mới này trở thành quán quân về độ cứng và độ khỏe trong thế giới tất cả các loại sợi đã biết cho đến nay.

Tuy nhiên, mặc dù đã tạo thành công, cũng như xác nhận rằng các ống nano cacbon và hoa tuyết graphene tồn tại trong loại tơ nhện mới này, nhóm nghiên cứu vẫn chưa biết chính xác làm cách nào mà nhện có thể kết hợp được chúng lại với nhau.

Một giả thuyết là các sợi tơ được phủ lớp ống nano cacbon và graphene sau khi chúng được nhả ra. Dù không thể phủ nhận hoàn toàn khả năng này, nhóm nghiên cứu nói rằng xác suất xảy ra điều này rất thấp, bởi một lớp phủ bên ngoài như vậy khó có thể góp phần vào việc thay đổi các tính chất cơ học trong loại tơ nhện mới mà họ thu được.

Giả thuyết thứ hai mà nhóm đề xuất là các chú nhện đã uống nước có chứa các ống nano cacbon và hoa tuyết graphene, rồi những cấu trúc này được kết hợp vào sợi tơ khi được nhả ra. Quá trình này khiến các ống nano cacbon và graphene nằm ở phần thân của sợi từ đó ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học.

Đi xa hơn, nhóm nghiên cứu cũng thực hiện mô phỏng trên máy tính cấu trúc phân tử của sợi thu được từ quá trình này. Theo đó, các tính chất cơ học thu được từ mô phỏng này phù hợp tốt với kết quả thực nghiệm. Điều này củng cố giả thuyết thứ hai.

Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cho biết thêm, do tính đơn giản của kỹ thuật, quá trình tương tự có thể dễ dàng được lặp lại trên các sinh vật khác, từ đó có thể dẫn đến một thế hệ vật liệu kỹ thuật sinh học (bionic material) mới.

Có lẽ đây là một tin vui cho những người nghiên cứu, nhưng tin không vui là cho đến nay chưa ai hay công ty nào tìm ra phương pháp hiệu quả để khai thác tơ nhện dù đã có nhiều cố gắng. Và hành trình sản xuất tơ nhện siêu chắc này còn một quảng đường rất xa để đến đích.

Theo tinhte.vn