Nhện và dâu tằm là những bậc thầy của khoa học vật liệu, nhưng các nhà khoa học cuối cùng đã đuổi kịp chúng. Tơ là một trong những vật liệu dai nhất từng được biết đến, bền hơn và kém giòn hơn so với thép. Nay các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Mĩ vừa tiết lộ một số bí mật sâu sắc nhất của chúng đang nghiên cứu có thể đưa đến phương thức chế tạo các chất liệu tổng hợp giống hệt, hoặc thậm chí còn qua mặt, những tính chất ngoại hạng của tơ tự nhiên.
Markus Buehler, phó giáo sư ngạch Esther và Harold E. Edgerton tại Khoa Kĩ thuật Dân sinh và Môi trường thuộc MIT, và đội của ông, đã nghiên cứu các tính chất cơ bản của vật liệu và làm thế nào những vật liệu đó bị hỏng. Đối với tơ, họ sử dụng các mô hình máy tính có thể mô phỏng không chỉ cấu trúc của các phân tử mà còn cách thức chúng chuyển động và tương tác chính xác vói nhau. Các mô hình giúp các nhà nghiên cứu xác định các cơ chế phân tử và nguyên tử gây ra những tính chất cơ học nổi bật của vật liệu trên.
Nhà vô địch về sức bền vật liệu (Ảnh: Wiki)
Buehler và đội của ông nhận thấy sự kết hợp vừa bền vừa dễ uốn của tơ – khả năng uốn cong hay giãn ra mà không bị đứt – có được từ một sự sắp xếp khác thường của các liên kết nguyên tử vốn dĩ rất yếu. Nghiên cứu sinh Sinan Keten, nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ Zhiping Xu, và chàng sinh viên chưa tốt nghiệp Britni Ihle là đồng tác giả của một bài báo nghiên cứu vấn đề trên công bố trên tạp chí Nature Materials, số ra ngày 14 tháng 3.
Tơ cấu tạo từ protein, trong đó một số hình thành nên những tinh thể phẳng, mỏng gọi là bản beta. Những bản này nối với nhau qua các liên kết hydro – thuộc về những loại liên kết hóa học yếu nhất, không giống như, chẳng hạn, các liên kết cộng hóa trị mạnh hơn nhiều tìm thấy ở đa số các hợp chất hữu cơ. Đội của Buehler đã thực hiện một loạt mô phỏng máy tính cấp độ nguyên tử nghiên cứu các cơ chế hỏng hóc phân tử ở tơ. “Những tinh thể nhỏ nhưng rắn chắc biểu hiện khả năng tái hình thành nhanh chóng những liên kết bị đứt của chúng, và kết quả là mất sự ‘duyên dáng’ – nghĩa là, từ từ chứ không đột ngột”, nghiên cứu sinh Keten giải thích.
“Ở đa số các chất liệu kĩ thuật” – ceramic chẳng hạn – “sức bền cao đi cùng với tính giòn”, Buehler nói. “Một khi tính dễ uốn được thêm vào, thì vật liệu trở nên yếu đi”. Nhưng với tơ thì không, nó có sức bền cao bất chấp được cấu thành từ những viên gạch cấu trúc vốn dĩ yếu ớt. Hóa ra đó là vì những viên gạch cấu trúc này – những tinh thể bản beta nhỏ xíu, cũng như những dây tóc nối giữa chúng – được sắp xếp trong một cấu trúc tương tự như một chồng bánh ngọt xếp cao, nhưng với cấu trúc tinh thể trong mỗi cái bánh xen kẽ định hướng của chúng. Dạng hình học đặc biệt này của những tinh thể nano tơ nhỏ xíu cho phép các liên kết hydrogen hoạt động tập thể, gia tốc những chuỗi liền kề chống lại ngoại lực, dẫn tới tính dẻo ngoại hạng và sức bền cao của tơ nhện.
Một kết quả bất ngờ từ công trình nghiên cứu mới trên là một sự phụ thuộc tới hạn của những tính chất của tơ nhện vào kích cỡ chính xác của những tinh thể bản beta này bên trong sợi. Khi kích cỡ tinh thể khoảng ba nano mét, thì vật liệu có những đặc trưng cực bền và cực dẻo của nó. Nhưng để cho những tinh thể đó lớn lên quá năm nano mét, thì vật liệu trở nên yếu và giòn.
Buehler nói nghiên cứu trên có những gợi ý sâu xa ngoài việc tìm hiểu tơ nhện. Ông lưu ý rằng các kết quả trên có thể áp dụng cho một họ rộng rãi các chất liệu sinh học, thí dụ như gỗ hoặc sợi thực vật, và các chất liệu được truyền cảm hứng từ sinh vật, thí dụ như các lợi sợi mới lạ, chỉ, và những kết cấu hoặc các chất liệu thay thế mô, để tạo ra nhiều chất liệu hữu dụng đa dạng. Thí dụ, ông và đội của mình đang khảo sát khả năng tổng hợp các chất liệu có một cấu trúc tương tự như tơ, nhưng sử dụng các phân tử có sức bền vốn dĩ lớn hơn, ví dụ như ống nano carbon.
Tác động lâu dài của nghiên cứu này, Buehler nói, sẽ là sự phát triển của một kiểu mẫu thiết kế vật liệu mới cho phép chế tạo ra những vật liệu chức năng cao thuộc những chất liệu phong phú, không đắt tiền. Đây sẽ là một hướng phát triển mới xuất phát từ phương pháp hiện nay, trong đó những liên kết mạnh, những thành phần đắt tiền, và sự xử lí năng lượng cao (ở nhiệt độ cao) được dùng để thu về những chất liệu hiệu suất cao.
Peter Fratzl, một giáo sư ở khoa sinh học vật liệu thuộc Viện Max Planck Chất keo và Mặt phân giới ở Potsdam, Đức, người không có liên quan trong nghiên cứu này, nói rằng “sức mạnh của đội nghiên cứu này là nằm ở phương pháp lí thuyết đa cấp độ tiên phong của họ” để phân tích các chất liệu tự nhiên. Ông bổ sung thêm rằng đây là “bằng chứng đầu tiên từ mô hình lí thuyết của cách thức liên kết hydrogen hoạt động, vốn yếu như chúng như vậy, có thể sức bền và tính dẻo cao nếu được sắp xếp theo một kiểu thích hợp bên trong vật liệu”.
Giáo sư sinh học vật liệu Thomas Scheibel thuộc trường đại học Bayreuth, Đức, người cũng không có liên quan trong nghiên cứu này, nói công trình của Buehler có “tầm cỡ lớn”, và sẽ kích thích nhiều nghiên cứu thêm nữa. Phương pháp nghiên cứu của đội MIT, ông nói, “sẽ cung cấp một cơ sở cho sự hiểu rõ hơn những hiện tượng sinh học nhất định trước nay chưa hiểu được”.
Tham khảo: "Nanoconfinement controls stiffness, strength and mechanical toughness of beta-sheet crystals in silk," Sinan Keten, Zhiping Xu, Britni Ihle và Markus J. Buehler, Nature Materials, March 14, 2010.
Theo PhysOrg.Com
