(H2N2)-Trong quá khứ, dựa trên nhiều phương pháp đo đạc khác nhau, giới khoa học đã biết đến tơ nhện như một loại vật liệu vô cùng đặc biệt, có những ưu điểm vượt trội so với các loại tơ, sợi thông thường. Tuy nhiên, liệu tơ nhện có thật sự đặc biệt như thế?. Nhóm nghiên cứu đến từ phòng thí nghiệm Động học tương tác và hoạt tính, Đại học Pierre et Marie Curie (LADIR, Université de Pierre et Marie Curie/CNRS-Pháp) đã tiến hành khảo sát các tính chất cơ học của tơ nhện từ cấp độ vi mô của sợi đến các liên kết hóa học hình thành. Họ nhận thấy những tính chất của tơ nhện thật ra, rất giống với tính chất của một số loại sợi tơ tằm, vốn tương đối dễ sản xuất và ứng dụng hơn so với tơ nhện. Nghiên cứu này đã được báo cáo trong ba bài báo liên tiếp trên tạp chí Journal of Raman Spectroscopy.
Nổi tiếng với độ bền cơ học tuyệt hảo, tơ nhện từ lâu đã được xem là một vật liệu triển vọng cho tương lai. Tuy nhiên, có 3 yếu tố khiến cho tơ nhện cho đến nay vẫn không được ứng dụng vào thực tế: thứ nhất, tơ nhện thông thường quá ngắn, chỉ khoảng 20 – 30 cm, so với độ dài trung bình 1000 m của tơ tằm ; thứ hai, để có thể có được tơ nhện, cần phải có những quá trình tách tơ đặc biệt, thường là thủ công ; và cuối cùng, loài nhện sản xuất loại tơ có chất lượng tốt nhất vốn là giống nhện ăn thịt, rất khó nuôi và gần như không thể nuôi theo bầy.
Hình 1 : Mạng nhện của loài nhện Nephila Madagasca, còn được gọi là tơ vàng nhờ màu sắc vàng óng của nó
Vì vậy sản xuất một loại tơ khác, như tơ tằm hay tơ tổng hợp có được những tính chất cơ học ưu việt của tơ nhện luôn là thách thức lớn đối với các nhà khoa học hiện nay. Gần đây, những kết quả trong suốt 5 năm nghiên cứu trên cơ sở so sánh tơ nhện với tơ tằm dưới khía cạnh cơ học vĩ mô và nano đã cho phép các nhà khoa học đến từ phòng thí nghiệm LADIR kết hợp với Cơ sở nuôi tằm quốc gia Pháp INRA (Rhone), Trung tâm vật liệu học-Viện mỏ Paris (Evry) và Đại học Pretoria (Nam Phi), hiểu sâu hơn về khả năng biến đổi các tính chất cơ học của sợi tơ tằm, so sánh và liên hệ với các tính chất đặc biệt của tơ nhện.
Tơ của một số chủng loại tằm và nhện khác nhau đã lần lượt được nghiên cứu dưới kính hiển vi hồng ngoại, kính hiển vi Raman, phân tích nhiệt vi sai, nhiễu xạ tia X, quang phổ hồng ngoại và quang phổ Raman ghép với các quá trình phân tích kéo giãn đồng trục sợi tơ dưới nhiều điều kiện khác nhau như tốc độ của dòng điện và mức độ kéo dài. Kỹ thuật cuối này vốn được phát triển cho việc nghiên cứu các loại tơ sợi tổng hợp với tính chất cơ lý rất tốt (được ưa chuộng trong công nghệ quân sự, thành phần khung sườn trong xe hơi), tuy nhiên đây là lần đầu tiên, nhóm nghiên cứu LADIR sử dụng chúng trên những tơ sợi tự nhiên.
Hình 2 : So sánh giữa tơ tằm hoang dã Gonometa postica Namibie (đường kính 20 μm) và tơ nhện Nephila Madagasca (đường kính 8 μm) : tơ nhện thể hiện sự ổn định về hình thái vượt trội so với tơ tằm
Kết quả nghiên cứu cho thấy tơ của loài nhện Nephila Madagasca có đường kính tương đối nhỏ (5 – 8 μm), chỉ bằng một nửa so với tơ tằm. Tơ nhện sở hữu một độ ổn định về hình dạng vượt trội hơn mọi loại tơ tằm. Các đại phân tử cấu tạo nên tơ nhện được sắp xếp thẳng hàng dọc theo sợi tơ với các liên kết hydro rất mạnh. Tuy nhiên những tính chất cơ học của chúng, như độ bền kéo giãn lại không có gì khác biệt so với những sợi tơ tốt nhất của loại tằm Bombyx mori, một loại tằm nuôi hoặc loại tằm Gonometa postica Namibie, tằm hoang dã. Phát hiện này đã phản biện lại những ý kiến trước nay cho rằng tơ nhện có những đặc điểm cơ học ưu việt hơn so với các loại tơ tằm.
Hình 3 : Quá trình khảo sát tính chất cơ học của sợi tơ bằng quang phổ Raman kết hợp với hệ thống kéo giãn đồng trục (fibre : sợi, mors fixe : kiềm cố định, mors mobile : kiềm di động, spectromètre Raman : quang phổ Raman)
Từ đó, nhóm nghiên cứu cũng tìm ra được lý do vì sao khi đưa vào sử dụng, tơ tằm lại không có được những tính chất cơ học tốt như tơ nhện. Hai nhược điểm lớn nhất của tơ tằm khiến cho ngày nay, nó dần bị thay thế bởi sợi tổng hợp: sự không ổn định về hình dạng và tính chất (một đặc tính có thể tìm thấy ở hầu hết các sản phẩm tự nhiên) và sự tồn tại của một lớp vỏ bọc protein, tên gọi sericine, một dạng sáp có nhiệm vụ bao phủ những sợi tơ để tạo nên cái kén cho tằm. Lớp vỏ bọc này, trong quy trình chế biến tơ tằm, sẽ bị loại bỏ nhằm giúp cho các phẩm nhuộm, dùng để tạo màu cho sợi tơ, dễ cố định trên bề mặt tơ. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của phòng thí nghiệm LADIR lại nhận thấy, chính lớp vỏ bọc sericine này là yếu tố chính tạo cho tơ tằm những tính chất cơ học như tơ nhện. Như vậy, trong quá trình chế biến, con người đã vô tình làm suy giảm khả năng cơ học của tơ tằm.
Nghiên cứu này không chỉ đem lại những hiểu biết mới về các loại tơ sợi thiên nhiên, mà còn hứa hẹn mở ra những khám phá mới về y học, chằng hạn như các tính chất của dây chằng, cũng như cơ chế sinh học của một số các mô sống trong cơ thể người.
Lê Tiến Khoa
Hoahocngaynay.com
Tài liệu tham khảo :
[1] Ph. Colomban, H.M. Dinh, A. Bunsell, B. Mauchamp, Origin of the variability of the mechanical properties of silk fibres: I, The relationship between disorder, hydration and stress/strain behaviour, J. Raman Spectroscopy 2011.
[2] Ph. Colomban, H.M. Dinh, Origin of the variability of the mechanical properties of silk fibres: II, the nanomechanics of single silkworm and spider fibres, J. Raman Spectroscopy 2011.
[3] Ph. Colomban, A. Tournie, H.M. Dinh, V. Jauzein, Origin of the variability of the mechanical properties of silk fibres: III, order and macromolecule orientation in Bombyx mori bave, hand-stretched strings and Nephila madagascarensis spider fibres, J. Raman Spectroscopy 2011.
CNRS : http://www.cnrs.fr/inc/communication/direct_labos/colomban4.htm
