VINACHEM

Tơ nhện tự nhiên vốn đã có những tính chất cơ học xuất sắc. Nay các nhà khoa học mới tìm ra phương pháp tăng gấp 3 độ bền của loại tơ này bằng cách sử dụng vật liệu graphen. Phát hiện này sẽ mở đường cho một hạng mục mới các vật liệu composit phỏng sinh học với tính năng cao. Đây là công trình nghiên cứu hợp tác giữa ĐHTH Trento (Italia) và ĐHTH Cambridge (Anh).

Vật liệu sinh học biến đổi nhân tạo là một lĩnh vực nghiên cứu ngày nay đang phát triển mạnh. Vật liệu tự nhiên có những tính chất mà vật liệu tạo ra trong phòng thí nghiệm không thể đạt được, vì vậy việc lấy cảm hứng từ thiên nhiên đã trở thành một công cụ nghiên cứu rất có hiệu quả.

Để tăng cường độ bền của tơ nhện, các nhà nghiên cứu nói trên đã điều chế những dung dịch graphen và ống nano cacbon rồi phun vào thùng nuôi nhện. Sau khi để cho nhện tiêu hóa graphen và ống nano cacbon phát tán ở môi trường xung quanh chúng, các nhà khoa học thu gom tơ của nhện và kiểm tra hàm lượng graphen/ống nano cacbon cũng như các tính chất cơ học của tơ.

Kết quả cho thấy, tơ thu được theo phương pháp này thể hiện những tính chất cơ học tăng mạnh so với tơ đối chứng lấy từ chính những con nhện đó trước đây. Vật liệu tơ phỏng sinh học mới có độ bền, độ dẻo và độ đàn hồi cao hơn đáng kể so với tơ tự nhiên. Những sợi tơ mạnh nhất có độ bền chống đứt gãy đến 5,4GPA, cao gấp 3 lần so với tơ không biến đổi, độ dai cũng tăng gấp 10 lần, đạt đến 2,1 GPA.

Nghiên cứu nói trên mở ra tiềm năng mới cho việc điều chỉnh các tính chất của vật liệu sinh học nhằm tăng cường những tính chất cần thiết cho những ứng dụng mới. Ví dụ, tơ nhện biến đổi nhân tạo có thể được ứng dụng trong các loại vải tính năng cao như dù hoặc vải có thể phân hủy sinh học sử dụng cho băng y tế.

Theo một chuyên gia thuộc nhóm nghiên cứu tại ĐHTH Trento, con người đã sử dụng lụa tơ tằm một cách phổ biến từ hàng nghìn năm nay, nhưng nghiên cứu mới này tập trung vào tơ nhện với những tính chất cơ học đầy hứa hẹn. Tơ nhện thuộc vào trong số những loại sợi polyme tốt nhất về mặt độ bền căng, độ biến dạng tới hạn và đặc biệt là độ dai, ngay cả khi so với những loại sợi tổng hợp tính năng cao như Kevlar.

Nhà nghiên cứu này cho biết, họ biết rằng có những khoáng chất sinh học trong khung protein và các mô cứng của côn trùng, đây là những tác nhân tạo ra độ bền và độ cứng rất cao cho quai hàm và răng của chúng. Vì vậy, họ đã tìm cách thử nghiệm xem các tính chất của tơ nhện có thể được tăng cường bằng cách kết hợp nhân tạo các vật liệu nano khác nhau vào cấu trúc protein sinh học của tơ hay không.

Độ dai của tơ nhện thu được trong nghiên cứu trên là độ dai cao nhất của vật liệu sợi đã đạt được từ trước đến nay, độ dai này tương đương với sợi cacbon mạnh nhất hoặc răng của con sao sao - một loài động vật thân mềm nhỏ, thường được tìm thấy ở bờ biển ở phía tây châu Âu. Nhờ cấu tạo từ hỗn hợp khoáng protein, răng của con sao sao có độ bền cao gấp 10 lần so với tơ nhện thông thường - vật liệu mà cho đến nay vẫn được cho là vật liệu sinh học dai nhất trên Trái Đất. Với khả năng kỳ diệu này, con sao sao có thể dùng răng cạo thức ăn từ đá và thường nuốt những vụn đá nhỏ trong lúc ăn.

Tuy nghiên cứu nói trên mới đang trong giai đoạn khởi đầu, nhưng kết quả thu được đã chứng minh cho ý tưởng và sẽ mở đường cho việc khám phá quá trình dệt tơ nhện có hiệu quả, để từ đó sản xuất những loại sợi tơ phỏng sinh học với độ bền cao hơn, qua đó cải thiện tiếp loại vật liệu bền với rất nhiều triển vọng này.

LH

Theo Chemistry & Industry, 9/2017