“Mặc dù mạng lưới tròn trịa của loài nhện là một cấu trúc nhẹ, nhưng dường như nó là một cấu trúc tối ưu hóa cao độ, có lẽ là kết quả của sự tiến hóa từ thời kỉ Jura hoặc sớm hơn nữa”, đó là giải thích của các nhà vật lí Yuko Aoyananagi và Ko Okumura, họ đang nghiên cứu những tính chất cấu tạo của mạng nhện. “Nó dường như chống lại những tác động khác nhau ví dụ như gió và côn trùng va vào một cách hiệu quả và có thể bắt dính con mồi, ngay cả khi một số sợi tơ bị đứt”.

Mặc dù nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về tơ nhện kết luận nó là một dạng sợi hiệu quả cao, nhưng người ta biết rất ít thông tin về những đặc điểm cấu tạo cơ học của mạng nhện. Trong một nghiên cứu mới đây, Aoyananagi và Okumura, cả hai làm việc tại trường Đại học Ochanomizu ở Tokyo, Nhật Bản, đã phát triển một mô hình giải thích khả năng thích ứng cơ học của mạng tơ nhện vây tròn. Là dạng tơ nhện quen thuộc nhất, mạng nhện vây tròn có những đặc điểm chung cho nhiều loài nhện, cho thấy chúng đã tiến hóa có ích bằng sự chọn lọc tự nhiên. Bằng cách tìm hiểu kĩ hơn những tính chất cấu tạo độc nhất vô nhị của mạng nhện, các nhà nghiên cứu có thể áp dụng thông tin đó cho những lĩnh vực khác, thí dụ như thiết kế nhà cửa, cầu cống và những cấu trúc vũ trụ.

Như các nhà nghiên cứu trên giải thích, mạng nhện vây tròn gồm hai loại tơ: các sợi xuyên tâm tỏa ra từ chính giữa mạng, còn các sợi xoắn ốc nối các sợi xuyên tâm lại với nhau để hình thành nên kiểu vây tròn quen thuộc. Nghiên cứu trước đây cho thấy các sợi xuyên tâm bền hơn đáng kể so với các sợi xoắn ốc, đó là vì các sợi xuyên tâm có bề dày, thành phần hóa học và cấu trúc hiển vi tốt hơn.

Khi con nhện chăng xong, toàn bộ mạng nhện có sức căng của nó. Trong mô hình của các nhà vật lí trên, lực căng được phân bố sao cho những sợi với lực căng cực đại là những sợi xuyên tâm nằm ở phần ngoài cùng của mạng nhện. Các nhà khoa học còn nhận thấy, đối với một mạng nhện tiêu biểu, con nhện có thể thay đổi số lượng sợi xuyên tâm hoặc xoắn ốc mà không làm giảm sức bền của mạng lưới. Tính linh hoạt này có khả năng rất hữu dụng cho loài nhện điều chỉnh mạng lưới trước những môi trường khác nhau, thí dụ như những nơi chỉ vài ba chỗ để chăng tơ xuyên tâm. Hoặc, khi con nhện muốn làm cho mạng lưới dày hơn để bắt những con côn trùng nhỏ hơn, nó có thể quay những sợi tơ xoắn ốc nhiều hơn mà không làm tăng đáng kể lực căng cực đại.

Aoyananagi và Okumura còn nghiên cứu cái xảy ra khi một trong những sợi tơ xoắn ốc bị hỏng trong một mạng nhện bị chọc thủng do tiếp xúc gì đó. Ở đa số những cấu trúc cấu tạo từ chất liệu đàn hồi, lực được phân bố lại khi có sự phá hủy xảy ra, và sự tập trung lực căng xuất hiện ở gần chỗ hỏng, làm yếu đi toàn thể cấu trúc. Tuy nhiên, ở mạng nhện, sự phân bố lực vẫn không thay đổi khi bất kì sợi tơ xoắn ốc nào bị đứt, và mạng lưới vẫn giữ được sức bền của nó. Các nhà khoa học quy sự khoan dung trước hỏng hóc này cho cấu trúc có thứ bậc của mạng nhện, cái họ hi vọng sẽ mô phỏng được một cách chi tiết hơn trong tương lai.

Tham khảo: Yuko Aoyanagi và Ko Okumura. “Simple Model for the Mechanics of Spider Webs.” Physical Review Letters 104, 038102 (2010). DOI:10.1103/PhysRevLett.104.038102