Bí mật khiến sợi tơ mỏng manh của loài nhện lại có thể mạnh hơn thép
Nhỏ bé đến mức có thể nằm gọn trên đầu ngón tay, nhưng nhện lại sở hữu một “nhà máy vật liệu” khiến các kỹ sư phải kinh ngạc.
Nếu kéo một sợi tơ nhện trên tay, chúng ta có cảm giác đó chỉ là một sợi cực kỳ mảnh và dễ đứt. Nhưng ở cấp độ vật liệu, một số loại tơ nhện lại có những đặc tính đáng kinh ngạc: độ bền kéo có thể tương đương hoặc vượt nhiều loại thép kỹ thuật, trong khi nhẹ hơn thép rất nhiều. Tơ kéo, hay dragline silk, được nhện sử dụng để tạo khung mạng nhện và làm “dây an toàn” khi di chuyển.
Ảnh: spiderwebfirstaid.
Bí mật không nằm đơn giản ở việc tơ nhện “cứng”. Trên thực tế, điều làm nó đặc biệt là sự kết hợp giữa độ bền, độ đàn hồi và khả năng hấp thụ năng lượng. Một nghiên cứu cho thấy tơ kéo của nhện có độ bền kéo khoảng 1,1 GPa, tương đương với thép kỹ thuật có độ bền cao, nhưng mật độ của tơ chỉ khoảng 1,3 so với 7,8 của thép. Nói cách khác, nếu xét trên cùng khối lượng, lợi thế của tơ nhện trở nên rất đáng kể.
Ảnh: Wikimedia Commons
Hãy tưởng tượng một vật liệu vừa có thể chịu lực lớn, vừa có thể kéo giãn trước khi đứt. Khi một con mồi bay vào mạng nhện, sợi tơ không nhất thiết phải chống lại toàn bộ cú va chạm bằng độ cứng. Nó có thể biến dạng, hấp thụ năng lượng rồi giữ con mồi lại. Chính khả năng này khiến tơ nhện có độ “dai” đặc biệt cao. Một số loại tơ của nhện vỏ cây Darwin (Caerostris darwini) thậm chí đạt mức độ dai cao bất thường, nhờ khả năng kết hợp giữa sức mạnh và độ giãn.
Điều kỳ diệu hơn nữa là con nhện không cần một nhà máy luyện kim hay nhiệt độ hàng nghìn độ C. Nó tạo tơ từ các protein được sản xuất trong cơ thể, sau đó biến chúng thành sợi thông qua một quá trình kéo và định hướng phức tạp trong các tuyến tơ. Cấu trúc protein ở cấp độ nano giúp tạo nên sự kết hợp đặc biệt giữa những vùng cứng và những vùng có khả năng biến dạng.
Ảnh: medium
Con người đã cố gắng bắt chước công nghệ này để sản xuất tơ nhện nhân tạo, hướng tới những vật liệu nhẹ, bền và có khả năng phân hủy sinh học. Tuy nhiên, sao chép chính xác cả thành phần protein lẫn quá trình “kéo sợi” tự nhiên của con nhện vẫn là một thách thức lớn.
Vì thế, mạng nhện tưởng như mong manh lại chứa đựng một bài học lớn về kỹ thuật vật liệu: đôi khi sức mạnh không đến từ việc trở nên cứng hơn, mà từ khả năng vừa chịu lực, vừa biết “nhường” cho lực.
Và đó có lẽ là lý do một sinh vật nhỏ bé như con nhện vẫn khiến khoa học hiện đại phải học hỏi.
Giống cừu kỳ lạ với bốn sừng cong đối xứng và gần như không có đuôi