Trai là một loài động vật thân mềm rất phổ biến tại các bãi biển. Chúng thường gắn chặt thân mình lên các tảng đá và nếu thử gỡ chúng ra, điều này quả thật không dễ dàng. Mặc dù ta có thể xê dịch một con trai tới hoặc lui trên bề mặt đá nhưng không thể nào nhấc nó lên được bằng tay không. Gần đây, các nhà khoa học thuộc viện nghiên cứu về các chất keo và bề mặt Max Planck, CHLB Đức đã phân tích khả năng bám dính của loài trai nhằm phát triển những công nghệ mới cho con người.
Loài trai đính chặt thân mình vào đá bởi một bộ phận có dạng sợi rất mượt gọi là byssus. Bản thân mỗi sợi byssus này rất cứng nhưng có thể kéo giãn nhằm giảm bớt lực va đập của sóng biển. Loại sợi này được tạo ra bằng một quy trình đặc biệt và do thường xuyên bị phá vỡ bởi các mảnh vụn trôi trong nước, chúng được bảo vệ bởi một lớp biểu bì bên ngoài. Lớp biểu bì được mô tả như một loại polymer sinh học, có độ cứng như nhựa epoxy (một loại nhựa có độ bền cơ học rất cao) và cũng có thể kéo giãn độ dài lên gấp đôi mà không gãy.
Hình ảnh phóng to của lớp biểu bì với nhiều nốt phồng
Quan sát dưới máy quét hiển vi điện tử, lớp biểu bì của sợi byssus có rất nhiều nốt phồng trên bề mặt. Các nốt phồng này được tạo nên bởi một số lượng lớn hạt bao thể có kích cỡ siêu vi và các hạt này tạo thành những mạng lưới liên tiếp nhau. Các nhà khoa học cho rằng khi lớp biểu bì bị kéo giãn, trên mạng lưới sẽ xuất hiện những vết rách siêu nhỏ nhằm chống lại sự hình thành các vết nứt lớn hơn. Lớp biểu bì trên tập trung rất nhiều các ion sắt và là một dạng biến đổi của amino axit được gọi là dopa. Dopa là một hợp chất sinh lý được biết đến với khả năng liên kết với ion sắt, tạo thành phức hợp protein-kim loại có chỉ số đứt gãy cao nhưng cũng có thể tự kéo lại gần nhau một khi bị phá vỡ. Qua nghiên cứu cho thấy lớp biểu bì của sợi byssus có mật độ phức hợp dopa-sắt xung quanh các hạt siêu vi rất lớn, trong khi khoảng trống giữa các hạt này lại có mật độ nhỏ hơn. Vì vậy, các hạt bao thể được coi là cấu trúc cứng của lớp biểu bì còn những khu vực xung quanh chúng có chức năng như một loại môi trường ăn mòn thay thế cho phép hàn gắp các vết nứt gãy trước nguy cơ bị phá hủy hoàn toàn.
Peter Fratzl, giám đốc bộ phận nghiên cứu vật liệu sinh học nhân tạo thuộc viện Max Planck, nói: "Thiên nhiên đã đưa ra một giải pháp tuyệt hảo nhằm giải quyết vấn đề gây tranh cãi bấy lâu nay giữa các kỹ sư đó là: Làm thế nào để kết hợp giữa 2 thuộc tính chống ặn mòn và độ co giãn cao vào cùng một vật liệu. Với nghiên cứu trên, chiến lược mới sẽ được áp dụng trên cả lĩnh vực thiết kế vật liệu polymer lẫn composite trong thời gian tới.
Loài trai đính chặt thân mình vào đá bởi một bộ phận có dạng sợi rất mượt gọi là byssus. Bản thân mỗi sợi byssus này rất cứng nhưng có thể kéo giãn nhằm giảm bớt lực va đập của sóng biển. Loại sợi này được tạo ra bằng một quy trình đặc biệt và do thường xuyên bị phá vỡ bởi các mảnh vụn trôi trong nước, chúng được bảo vệ bởi một lớp biểu bì bên ngoài. Lớp biểu bì được mô tả như một loại polymer sinh học, có độ cứng như nhựa epoxy (một loại nhựa có độ bền cơ học rất cao) và cũng có thể kéo giãn độ dài lên gấp đôi mà không gãy.
Hình ảnh phóng to của lớp biểu bì với nhiều nốt phồng
Quan sát dưới máy quét hiển vi điện tử, lớp biểu bì của sợi byssus có rất nhiều nốt phồng trên bề mặt. Các nốt phồng này được tạo nên bởi một số lượng lớn hạt bao thể có kích cỡ siêu vi và các hạt này tạo thành những mạng lưới liên tiếp nhau. Các nhà khoa học cho rằng khi lớp biểu bì bị kéo giãn, trên mạng lưới sẽ xuất hiện những vết rách siêu nhỏ nhằm chống lại sự hình thành các vết nứt lớn hơn. Lớp biểu bì trên tập trung rất nhiều các ion sắt và là một dạng biến đổi của amino axit được gọi là dopa. Dopa là một hợp chất sinh lý được biết đến với khả năng liên kết với ion sắt, tạo thành phức hợp protein-kim loại có chỉ số đứt gãy cao nhưng cũng có thể tự kéo lại gần nhau một khi bị phá vỡ. Qua nghiên cứu cho thấy lớp biểu bì của sợi byssus có mật độ phức hợp dopa-sắt xung quanh các hạt siêu vi rất lớn, trong khi khoảng trống giữa các hạt này lại có mật độ nhỏ hơn. Vì vậy, các hạt bao thể được coi là cấu trúc cứng của lớp biểu bì còn những khu vực xung quanh chúng có chức năng như một loại môi trường ăn mòn thay thế cho phép hàn gắp các vết nứt gãy trước nguy cơ bị phá hủy hoàn toàn.
Peter Fratzl, giám đốc bộ phận nghiên cứu vật liệu sinh học nhân tạo thuộc viện Max Planck, nói: "Thiên nhiên đã đưa ra một giải pháp tuyệt hảo nhằm giải quyết vấn đề gây tranh cãi bấy lâu nay giữa các kỹ sư đó là: Làm thế nào để kết hợp giữa 2 thuộc tính chống ặn mòn và độ co giãn cao vào cùng một vật liệu. Với nghiên cứu trên, chiến lược mới sẽ được áp dụng trên cả lĩnh vực thiết kế vật liệu polymer lẫn composite trong thời gian tới.
Nguồn: Gizmag
