Khoa học giải mã lý do tơ nhện bền hơn cả sợi kevlar

Hành động của nhện khi nhả tơ là yếu tố then chốt tạo nên sức mạnh của sợi tơ, làm cho sợi tơ bền chắc hơn và đàn hồi hơn.

Nhện cẩn thận kéo tơ từ ống nhả tơ bằng chân sau, kiểm soát độ căng khi kéo giãn chúng. Quá trình này giúp sợi tơ bền chắc và đàn hồi hơn (Ảnh: Getty).

Tơ nhện từ lâu đã được biết đến với những đặc tính cơ học đáng kinh ngạc, như bền hơn thép, dai hơn kevlar (một dạng sợi tổng hợp para-aramid) và co giãn như cao su. Tuy nhiên, bí ẩn đằng sau sức mạnh phi thường của nó vẫn là một câu hỏi lớn đối với các nhà khoa học .

Nhờ vào mô phỏng tính toán kết hợp thí nghiệm thực tế, các nhà nghiên cứu tại Đại học Northwestern (Mỹ) cuối cùng đã giải mã được cơ chế tạo nên sự dẻo dai và bền bỉ của tơ nhện. Đây có thể là khám phá mở ra tiềm năng phát triển các vật liệu sinh học tiên tiến như chỉ khâu y tế phân hủy sinh học, áo giáp siêu bền…

Theo nghiên cứu, khi nhện giăng tơ, chúng không chỉ tiết ra sợi tơ một cách đơn giản, mà còn sử dụng chi sau để kéo căng các sợi từ ống nhả tơ. Hành động này giúp sắp xếp lại các protein bên trong sợi tơ, đồng thời hình thành nhiều liên kết hydro hơn. Đây chính là yếu tố then chốt tạo nên sức mạnh của sợi tơ, làm cho sợi tơ bền chắc hơn và đàn hồi hơn.

“Kéo giãn tơ là yếu tố quan trọng để gia tăng độ bền, nhưng chưa ai hiểu rõ lý do. Nhờ mô phỏng tính toán, giờ đây, chúng ta đã có thể kiểm tra chính xác những thay đổi ở cấp độ phân tử”, GS Sinan Keten, người đại diện nhóm nghiên cứu lý giải.

Hình ảnh từ kính hiển vi điện tử của sợi tơ nhện nhân tạo (Ảnh: Nhóm nghiên cứu).

Được biết, một trong những thách thức lớn nhất của nghiên cứu này là sản xuất tơ nhện nhân tạo trong điều kiện phòng thí nghiệm. Để giải quyết vấn đề này, GS Fuzhong Zhang tại Đại học Washington (Mỹ) đã tạo ra các vi khuẩn để sử dụng trong quá trình tổng hợp protein ở tơ nhện.

Các sợi nhân tạo này sau đó được kéo căng bằng tay để mô phỏng quá trình mà nhện thực hiện trong tự nhiên. Kết quả cho thấy các sợi nhân tạo đúng là có đặc tính tương tự như tơ nhện thật, đặc biệt là về độ bền và độ đàn hồi.

Nhờ kéo giãn, số lượng liên kết hydro ở sợi tơ gia tăng, đóng vai trò như những cầu nối bền vững trong các chuỗi protein. Từ đó, cấu trúc sợi tơ trở nên gọn gàng hơn, giảm thiểu sự lộn xộn của phân tử, giúp nó chịu lực tốt hơn trước khi xảy ra đứt gãy.

Những thay đổi này có ý nghĩa quan trọng, vì chúng giúp tăng độ bền và độ dẻo dai của sợi tơ mà không cần phải thay đổi thành phần hóa học của nó.