Nanô phỏng sinh học và sợi tơ nhện

Nhện và tơ nhện

Nhện có nhiều loại nhưng biệt tài nổi bật chung là khéo tạo ra được các sợi tơ mỏng mảnh, kết lại được thành cái mạng nhện, bắt sống nhiều loại côn trùng để ăn thịt. Mạng nhện còn dùng để bảo vệ nhện con, ổ trứng nhện khỏi bị tấn công. Tơ nhện còn được dùng như khinh khí cầu cho nhện bay lượn. Người ta thỉnh thoảng thấy những sợi tơ dài, một đầu dây là nhện bay trong gió đưa nhện vào các đảo nhỏ gần bờ. Nhiều thủy thủ cho biết họ thấy được nhện ở đất liền bám vào buồm khi tàu thuyền mới gần cập bến.

Để làm ra sợi tơ và từ tơ dệt ra thành mạng nhện, con nhện đã có nhiều kỹ thuật cao và rất mưu mẹo, khéo léo.

Tìm hiểu kỹ, người ta thấy trong thân nhện, tùy theo loài, có thể có từ vài ba đến sáu bảy cái hạch điều chế ra các chất khác nhau. Các hạch đó thông với bên ngoài bằng rất nhiều ống nhỏ. Tận cùng nhô ra là đầu kéo tơ của nhện. Có những loại nhện có đến sáu cái đầu kéo tơ như vậy (hình 1).

Tùy theo yêu cầu, có lúc nhện kéo ra tơ là sợi bền chắc, có lúc là loại tơ có thêm chất kết dính, có lúc là loại tơ để làm nhiệm vụ dây móc nối, có lúc kéo tơ chuyên để làm kén, có lúc kéo tơ chuyên để trói chặt thêm mồi đã mắc vào mạng v.v…

Chú ý rằng nhện không biết bay nên phải suy nghĩ rất công phu để làm ra cái mạng nhện. Trước hết nhện phải căn cứ theo chiều gió, tìm một chỗ đứng thích hợp để khi nhả tơ ra (loại tơ có chất kết dính) thì sợi tơ bay ngang theo chiều gió, sợi tơ nhả ra dài bao nhiêu thì bay ngang xa bấy nhiêu (hình 2).

Nếu may mắn gió lái được đầu tự do của sợi tơ nhện bám được vào một chỗ cứng như cành cây, mõm đá … thì xem như đã thành công ban đầu. Nhện nhẹ nhàng bò theo dây mỏng mảnh vừa căng, vừa bò vừa nhả tơ ra để tăng cường thành hai dây chập một. Rồi nhện tiếp tục bò qua bò lại vài lần nữa để có sợi tơ nhện chập ba, chập bốn khá chắc dùng làm sợi tơ căng ngang chủ yếu. Khi thấy đã đủ chắc nhện bò ra giữa dây rồi thả mình xuống, hướng về một cái đích tương đối chắc chắn nào đó ở phía dưới. Dây tơ cũ bị kéo xuống thành một chữ Y, đó cũng là ba sợi tơ xuyên tâm đầu tiên của mạng nhện. Từ đó lúc thì nhện nhảy từ dây này sang dây khác, lúc thì nhện nhảy từ tâm ra ngoài, lúc thì nhả ra loại tơ để kéo căng, lúc thì nhả ra loại tơ để móc nối, lúc thì tạo ra kết dính v.v… để cuối cùng tạo thành cái mạng nhện to nhưng toàn làm bằng sợi cực mảnh, trong suốt. Côn trùng không nhìn thấy bay đâm đầu vào và mắc bẫy làm thức ăn cho nhện.

Câu quan họ “Con nhện giăng mùng” chữ giăng nghe rất đơn giản nhưng thực ra có nhiều chi tiết như vậy.

Cái mạng mà nhện giăng ra đó có nhiều khả năng kỳ lạ. Con ruồi trọng lượng rất đáng kể so với mạng nhện, nhưng khi đang bay thẳng đâm sầm vào không làm thủng được mạng nhện. Vùng ruồi đâm vào bị biến dạng mạnh, các sợi tơ nhện bị căng dãn ra nhưng không đứt rồi dần dần co lại, chú ruồi càng vùng vẫy, chân, cánh càng mắc vào các sợi tơ. Nhện nằm dấu mình ở một góc, bị đánh thức bởi những rụng động dọc theo sợi tơ, lập tức bò ra nhả thêm một ít tơ để trói chặt mồi, rồi bình tĩnh tìm cách ăn thịt.

Khảo sát kỹ thì khả năng đặc biệt của mạng nhện là do đặc điểm của tơ nhện.

Đường kính trung bình của tơ nhện trong mạng nhện là 0,15 micromet. Sợi tơ nhỏ nhất là 0,02 micromet. Về độ bền, tơ nhện xếp ngang với thép loại tốt nhất nhưng tơ nhện nhẹ hơn thép nhiều, khối lượng riêng của tơ nhện chỉ bằng 1/5 khối lượng riêng của thép, do đó có thể nói độ bền của tơ nhện gấp 5 lần độ bền của thép. Nhưng tơ nhện có độ đàn hồi kỳ lạ: kéo dài thêm ra đến 40% độ dài ban đầu, dây tơ vẫn không đứt mà vẫn còn trong giới hạn đàn hồi. Hiếm có loại sợi nào vừa có độ bền cao đồng thời có độ đàn hồi lớn như thế. Thép chỉ kéo dài 8%, nilon kéo dài được đến 20% nhưng độ bền kém xa thép.

Tóm lại đặc điểm quan trọng nhất của tơ nhện là rất nhẹ, rất bền chắc và rất đàn hồi. Nhờ đó mới làm ra được sản phẩm là mạng nhện có được những chức năng đặc biệt như đã nói trên.

Cấu trúc đặc biệt của tơ nhện

Kỹ thuật phân tích ngày nay cho phép đi sâu vào tìm hiểu cấu trúc tinh vi của tơ nhện để hiểu được tại sao tơ nhện lại phối hợp có được những đặc điểm quý báu, mong muốn của sợi tơ: nhẹ, chắc, đàn hồi.

Các nhà khoa học của Trung tâm nghiên cứu triển khai Natrick của quân đội Mỹ ở Massachusetts thu thập sợi tơ nhện để từ đó làm ra được một dung dịch protein giống như trong hạch của nhện để từ đó kéo ra sợi. Giáo sư Hansma ở Khoa vật lý Đại học California ở Santa Barbara (UCSB) nhỏ dung dịch đó lên một tấm mica, để khô dần rồi quan sát bằng hiển vi lực nguyên tử (AFM). Nhóm nghiên cứu thấy khi khô trong dịch dịch hình thành những sợi kích cỡ nanomet, mỗi sợi có cấu trúc như là gồm nhiều hạt. Cũng bằng hiển vi lực nguyên tử, phóng đại thật to thấy mỗi hạt như vậy như là gồm những cái thớt nhỏ xếp chồng đều đặn kiểu đơn tinh thể. Michal ở Đại học British Columbia (UBC) ở Vancouver (Canada) dùng cộng hưởng từ hạt nhân và nhiễu xạ tia X kết hợp với mô phỏng trên máy tính đã khẳng định được sợi tơ nhện thật gồm nhiều tinh thể con amino axit lẫn trong nền vô định hình (hình 3). Khi kéo căng sợi tơ nhện người ta quan sát thấy các hạt tinh thể con định hướng lại dọc theo sợi tơ, lúc thay đổi hướng kích thước các hạt tinh thể cũng thay đổi. Sự quay hướng cũng như thay đổi kích thích hạt tinh thể còn kèm theo sự trao đổi tỏa nhiệt ra môi trường chung quanh. Tính toán ra, khi con ruồi sa vào mạng nhện tất cả động năng của nó truyền cho mạng nhện. Nhưng chỉ một phần biến thành năng lượng đàn hồi của mạng còn đến 70% động năng đó đã biến thành nhiệt phân tán ra mạng, phân tán ra môi trường xung quanh. Đó là những “nghiên cứu cơ bản” về sợi tơ nhện, dẫn đường cho những nghiên cứu ứng dụng đang phát triển mạnh gần đây.

Bắt chước nhện, sản xuất tơ

Như vậy những tính chất đặc biệt của tơ nhện là do có cấu trúc hạt tinh thể kích cỡ nanomet kết dính với nhau bằng vật liệu cấu trúc vô định hình, tất cả đều có thể tự hình thành từ các chất lỏng trong các hạch tiết ra.

Để có những sợi tơ như vậy tốt nhất là nuôi nhện, tất nhiên là chọn loại nhện tốt, cho tơ chắc như loại nhện vàng Nephila Clavipe. Nhưng tốc độ kéo ra sợi của nhện không đáp ứng nhu cầu công nghiệp được, hơn nữa nhện là loại động vật hay cắn nhau, ăn thịt đồng loại, một số loại lại có chất độc.Vì vậy ý tưởng làm trang trại để nuôi nhện trực tiếp lấy tơ là không hiện thực, không kinh tế.

Người ta thấy nếu có được chất cơ bản cấu tạo nên tơ nhện như các nhà khoa học đã lấy từ tơ nhện để làm thử, thì có khả năng kéo ra tơ nhện một cách công nghiệp, các tinh thể con lẫn trong vô định hình sẽ tự hình thành nếu chọn điều kiện thích hợp. Khó có được nhiều tơ nhện để sản xuất nhưng có thể có được chất rất giống với tơ nhện.

Người ta thấy chất cơ bản cấu tạo nên tơ nhện lại có nhiều ở sữa dê. Có thể tìm cách biến đổi gen của dê sao cho sữa nó tiết ra có các axit amin đúng như ở hạch của nhện.

Jeffrey Turner ở hãng Nexia BioTechnologies đã làm như vậy kết quả là đã tạo nên một loại sữa dê gần giống như chất nhện dùng để kéo ra tơ. Cho loại sữa này vào những cái ống như ống tiêm khi quay nhanh, từ đầu ống tiêm cho phun ra sợi, khi khô có cấu tạo như tơ nhện. Sợi tạo ra theo cách này có những tính chất cơ lý rất tốt, hãng Nexia đặt tên là Biosteel (thép sinh học). Hãng đã làm trại nuôi đến 1500 con dê chuyển gen nhưng chỉ đủ làm ra một ít sợi đặc biệt phục vụ y tế.

Tơ nhện hoàn toàn nhân tạo

Ở học viện công nghệ Massachusetts (MIT) có một viện phối hợp gọi là Viện Công nghệ nanô cho quân đội (Institute for Soldier Nanotechnologies)chuyên nghiên cứu làm tơ nhện nhân tạo để làm ra các sản phẩm phục vụ người lính.

Để tạo ra tơ nhện nhân tạo, các nhà khoa học ở viện này dùng chất dẻo có tên là chất dẻo polyurethane có tính chất như cao su để làm chất dẻo liên kết các tinh thể con. Còn các tinh thể con thì nhóm này chọn các tinh thể sét hình đĩa, có nhiều trong đất sét. Loại tinh thể này do thiên nhiên tạo ra, dạng đĩa đường kính cỡ 25 nanomet, gồm nhiều đĩa con xếp chồng mỗi đĩa dày chỉ vào cỡ 1 nanomet. Cái khó là làm sao cho các hạt tinh thể sét phân tán đều vào trong chất dẻo. Người ta thường làm theo cách dùng dung môi hòa tan chất dẻo, trộn đều hạt tinh thể sét vào đấy rồi cho dung môi bay hơi dần.

Vậy tơ nhện nhân tạo ở đây về cấu trúc bắt chước cấu trúc của tơ nhện còn chất liệu là hoàn toàn khác.

Ứng dụng của tơ nhện

Từ những ưu điểm của tơ nhện như đã nói trên có thể làm ra nhiều sản phẩm đáp ứng những nhu cầu đặc biệt. Sau đây là vài thí dụ:

Làm áo giáp chống đạn. Hiện nay các loại áo giáp chống đạn có hiệu quả thường rất dày và nặng, mặc vào khó chịu. áo chống đạn dệt bằng sợi tơ nhện không những nhẹ mà có tác dụng ngăn chặn đạn rất tốt nhờ vào tính bền chắc mà dẻo, đàn hồi của tơ nhện. Tương tự như con ruồi sa vào mạng nhện, viên đạn bắn vào loại áo giáp này chỉ làm áo giáp hơi bị lõm nhưng lực tác dụng phân bố nhanh ra xung quanh, không làm thủng, không gây tổn thương. Người ta đã nghiên cứu dùng tơ nhện nhân tạo làm áo chống đạn cho quân đội, cho cảnh sát và để bảo vệ phụ nữ nữa.

Trong y tế, thể thao trường hợp bong gân, đứt dây chằng rất khó chữa vì không có vật liệu thay thế. Tơ nhện có ưu điểm là nhỏ, chắc và mềm, rất thích hợp vừa làm vật liệu thay thế, vừa làm chỉ khâu cho những trường hợp này. Loại tơ nhện nhân tạo có nguồn gốc tự nhiên có ưu điểm là dễ đồng hóa với cơ thể. Những vết thương ở gần mắt, ở gần khu vực có nhiều dây thần kinh nhạy cảm cũng rất cần dây khâu chắc nhưng mềm mại như tơ nhện. Các ống nối mạch máu (stent) làm bằng vật liệu tơ nhện rất thích hợp để đặt trong cơ thể, không bị từ hóa nên người bệnh có thể chụp ảnh cắt lớp cộng hưởng từ thoải mái, không lo từ trường tác dụng.

Trong hoạt động thể thao, leo núi với sợi tơ nhện có thể dệt được những áo, quần mỏng nhưng không rách, làm được dây nhỏ, nhẹ nhưng chắc như dây thừng, làm dây dù, vải dù bảo đảm hoạt động cho mọi trường hợp bất thường.

Một ứng dụng thú vị nữa là làm dây câu cá, lưới bắt cá. Nhờ sợi tơ nhện nhỏ, chắc, đàn hồi và trong suốt nên cá khó nhận thấy, dây thì nhỏ mà cá to bị mắc vào quẫy không đứt, sợi tơ bị đàn hồi dãn ra rồi co lại như cũ, giữ chắc cá lại.

Hiện nay sản xuất tơ nhện nhân tạo đang thu hút nhiều nhà sản xuất làm ra được nhiều sản phẩm đáp ứng nhu cầu nhiều mặt của đời sống cũng như thu hút nhiều nhà nghiên cứu trên cơ sở cấu trúc đặc biệt của tơ nhện tìm ra được nhiều cách chế tạo tốt, nhanh và rẻ hơn.

Nguồn: Khoa học và Tổ quốc, 07/2008