Tơ nhện nhân tạo thế hệ mới: bền hơn thép và 98% làm từ nước

Các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Cambridge đã phát triển một kĩ thuật mới giúp tạo ra sợi chỉ mạnh mẽ, đàn hồi theo một cách không thể thân thiện với môi trường hơn.

Dĩ nhiên bộ tơ của một chú nhện vốn dĩ đã sở hữu những đặc tính hết sức ấn tượng. Nó là một trong số các vật liệu bền bỉ nhất được tìm thấy trong tự nhiên, mạnh mẽ hơn sắt thép và cứng hơn cả Kevlar (một loại sợi tổng hợp dùng làm áo chống đạn). Nó có thể được kéo dãn ra nhiều lần so với độ dài thực của mình cho đến khi bị đứt. Vì những lý do này, việc tái tạo tơ nhện trong phòng thí nghiệm có lẽ đã trở thành nỗi ám ảnh của các nhà khoa học vật liệu hàng thế kỉ qua.

Hiện nay, các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Cambridge đã sáng tạo nên một loại vật liệu mới có thể bắt chước sức mạnh, tính co giãn và khả năng hấp thụ năng lượng của tơ nhện. Loại vật liệu này cung cấp một tiềm năng lớn trong việc cải thiện chất lượng các sản phẩm từ mũ bảo hiểm xe đạp, dù lượn, áo chống đạn. Và có lẽ điểm độc đáo nhất của nó là gì ư? 98% làm từ nước.

"Nhện là hình mẫu lý tưởng vì chúng có khả năng chế tạo ra những sợi tơ tuyệt hảo ở nhiệt độ phòng, sử dụng nước như là một dung môi hòa tan", theo Darchil Shah, kĩ sư thuộc Trung tâm Cách Tân Vật liệu Tự Nhiên Cambridge. "Đây là quy trình mà loài nhện đã sở hữu được sau hàng trăm triệu năm tiến hóa, nhưng chúng tôi vẫn chưa thể sao chép lại được".

Những sợi tơ được làm trong phòng thí nghiệm này được tạo nên từ một loại vật liệu gọi là hydrogel, với 98% là nước và 2% còn lại là là silica và cellulose, hai thành phần sau được gắn kết với nhau bởi cucurbiturils, các hạt phân tử có nhiệm vụ giống như "còng tay" vậy. Các sợi silica và cellulose này có thể được kéo bởi hydrogel. Sau tầm 30 giây hay quãng thời gian tương tự, nước sẽ bay hơi, chỉ để lại đằng sau các sợi tơ mảnh co dãn đàn hồi: tơ nhân tạo.

Tơ nhện mạnh mẽ hơn thép và cứng hơn cả Kevlar, nhưng chế tạo thành công trên quy mô lớn nó trong phòng thí nghiệm vẫn đang là nỗi ám ảnh với các nhà khoa học trong hàng thập kỉ nay.

Các sợi này vô cùng mạnh mẽ - mặc dù không mạnh bằng các loại tơ nhện tốt nhất - và một cách nổi bật, chúng có thể được làm ra ở nhiệt độ phòng mà không cần đến dung môi hóa học. Điều này có nghĩa là, nếu chúng được sản xuất hàng loạt, chúng sẽ có lợi thế so với sợi tổng hợp như nylon, vốn cần đến nhiệt độ cực cao để xe tơ, biến việc sản xuất dệt may trở thành một trong những ngành công nghiệp hủy hoại môi trường bậc nhất thế giới. Tơ nhện nhân tạo ngoài ra còn hoàn toàn phân hủy sinh học được. Và do bởi chúng được làm từ các chất liệu cực kì phổ thông và dễ kiếm - chủ yếu là nước, silica và cellulose - nó có tiềm năng cực kì rẻ.

Ngoài ra, vì vật liệu này có thể hấp thụ rất nhiều năng lượng, nó có thể được dùng như là một lớp vải bảo vệ.

"Những con nhện rất cần khả năng hấp thụ do bởi khi có một con chim hay ruồi vướng vào màng nhện, nó cần phải có khả năng hấp thụ, nếu không sẽ đứt", Shah nói. "Vậy nên những thứ như áo chống đạn hay các loại áo bảo vệ quân dụng khác có thể ứng dụng công nghệ mới này một cách đầy hy vọng".

Các ứng dụng tiềm năng khác bao gồm quần áo thủy thủ, vải dù lượn, chất liệu khinh khí cầu, hay mũ bảo hiểm cho vận động viên xe đạp hay trượt ván. Vật liệu này có thể phân hủy sinh học, nghĩa là nó có khả năng được sử dụng bên trong cơ thể con người như chỉ khâu y học.

Các sợi tơ này có thể được điều chỉnh theo một số cách thú vị, Shah nói. Thay thế cellulose với nhiều loại polymer khác nhau có thể biến tơ này thành một thứ nguyên liệu hoàn toàn khác. Các nguyên tắc cơ bản có thể được tái tạo nhằm sản xuất các phiên bản thớ vải khác nhau - không cần dung môi hóa học đồng thời nhiệt độ thấp.

"Đây là một phương pháp phổ biến để tạo ra các sợi, biến bất cứ dạng sợi [nhân tạo] nào đều có màu xanh", Shah nói.

Shah và nhóm của mình dĩ nhiên không chỉ là các nhà khoa học duy nhất đang làm việc để tạo ra tơ nhện nhân tạo. Không giống như con tằm, vốn có thể được chăn nuôi để lấy tơ, nhện là loài ăn thịt đồng loại và cũng không thể chịu đựng việc bị bó hẹp trong không gian nhỏ bé cần cho việc chăn nuôi, vậy nên đưa về phòng thí nghiệm có lẽ là cách duy nhất để có được một số lượng đáng kể vật liệu này.

Có thể nói cứ vài năm, chúng ta lại có một tin tức đáng chú ý về một đột phá mới trong quá trình nghiên cứu này. Một nhóm người Đức đã sửa đổi khuẩn E-coli để sản xuất ra các phân tử tơ nhện. Các nhà khoa học ở Đại Học Bang Utah đã gây giống loài "dê nhện" biến đổi di truyền nhằm sản xuất các protein tơ trong sữa của nó. Quân đội Hoa Kỳ đang thử nghiệm "tơ rồng" được sản xuất thông qua con tằm biến đổi gene, nhằm sử dụng trong các áo chống đạn. Vào đầu năm nay, các nhà nghiên cứu ở viện Karolinska ở Thụy Điển đã công bố một bài nghiên cứu về phương pháp mới, trong đó sử dụng vi khuẩn nhằm sản xuất các protein tơ nhện theo một cách bền vững và hiệu năng nhất. Và vào mùa xuân này, startup có trụ sở ở California Bolt Threads đã giới thiệu ra công chúng lần đầu một chiếc ca-vát tơ nhện thiết kế sinh học ở triển lãm SXSW. Sản phẩm của họ được làm thông qua một quy trình lên men nhằm sản xuất ra các protein tơ, thứ mà sau đó đã đi qua một quy trình ép để biến thành sợi.

Tuy nhiên, như bài báo của Wired vào năm 2015 đã chỉ ra: "nói chung ở thời điểm hiện tại, tất cả những nỗ lực nhằm sản xuất đại trà sản phẩm tơ nhện này để đưa vào thị trường với số lượng lớn, của cả các nhà khoa học cũng như các tập đoàn lớn, nói chung là đều đã thất bại".

Đây cũng là thử thách mà Shah và nhóm của anh đang đối mặt hiện nay.

"Hiện nay chúng tôi làm khoảng một vài chục miligam thứ nguyên liệu này và sau đó kéo sợi từ chúng", anh nói. "Nhưng chúng tôi đang muốn thử làm quy trình này ở một quy mô lớn hơn".

Để làm được điều đó, nhóm đang làm việc với một thiết bị robot nhằm kéo và quay sợi nhanh hơn và ở quy mô lớn hơn trước đây. Họ đã đạt được một số thành công, Shah nói, và đang tiếp tục khám phá quá trình này.

"Chúng tôi vẫn đang ở trong giai đoạn đầu của công cuộc nghiên cứu", anh nói.