Vì sao tơ nhện bền hơn thép dù rất mỏng manh?

Từ lâu tơ nhện đã được biết đến là vật liệu tự nhiên có độ bền đặc biệt cao nhất. Ngay cả những loài nhện như nhện nâu Loxosceles reclusa, có thể nhả ra tơ cứng gấp 5 lần thép, cũng có mặt. Tuy nhiên, các nhà khoa học phải đau đầu tự hỏi tại sao tơ nhện nhìn mỏng manh thế mà lại có độ bền quá khủng khiếp, đây là câu hỏi mà gần đây họ mới tìm ra được câu trả lời.

Tơ nhện có cấu trúc độc lạ

Sợi protein mà nhện tạo ra và xe sợi được gọi là tơ nhện. Chúng sử dụng tơ của mạng nhện để bắt mồi hoặc để bảo vệ trứng và nhện con. Những sợi tơ này có kết cấu chắc chắn giúp nhện có thể bắt được những con mồi lớn gấp nhiều lần chúng.

Các nhà nghiên cứu từ Khoa Khoa học ứng dụng, Đại học William và Mary (Mỹ) gần đây đã sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử để xem cấu trúc vi mô của những sợi tơ mà nhện nâu ẩn dật tạo ra để bảo vệ trứng và bắt mồi. Họ phát hiện ra rằng mỗi sợi tơ nhện mỏng hơn sợi tóc người thực tế được tạo thành từ hàng nghìn sợi nano khác nhau, đường kính chỉ 20 nm và dài khoảng 1 m.

Mặc dù sợi nano này có vẻ không dài lắm, nhưng chúng có thể kéo giãn hơn 50 lần so với kích thước ban đầu của chúng. Tơ nhện có sức mạnh và độ bền lớn hơn 1 thanh thép cùng kích thước tới 5 lần nhờ kết cấu này, khiến chúng trở nên rất dai và chắc chắn.

Trước đó, cho đến khi phát hiện này được công bố trên tạp chí khoa học ACS Macro Letters (Mỹ), các nhà khoa học trên thế giới đã từng cho rằng tơ nhện được tạo ra từ sợi nano nhưng không có bằng chứng xác thực nào.

Kết cấu tơ của nhện nâu ẩn dật là các sợi nano sắp xếp dàn phẳng chứ không theo hình trụ, giống như phần lớn các loài nhện khác. Điều này làm cho việc quan sát chúng bằng kính hiển vi lực nguyên tử trở nên đơn giản hơn đối với các nhà nghiên cứu.

Những phát hiện này bổ sung cho nghiên cứu mà nhóm đã thực hiện vào năm 2017, cho thấy cách thức nhện nâu ẩn dật củng cố sức mạnh sợi tơ bằng kỹ thuật tạo vòng lặp đặc biệt. Cơ thể của nhện nâu nhỏ xíu, giống như một chiếc máy may, dệt khoảng 20 sợi nano trên mỗi mm tơ khi nó đẩy ra để tăng cường độ bền của sợi tơ, giúp nó không bị đứt.

Một sợi tơ nhện bị "hy sinh" để duy trì cấu trúc tổng thể

Nhiều chuyên gia phân tử đã kiểm tra mạng của nhiều loài nhện khác nhau, bao gồm cả loài nhện vườn châu Âu Araneus diadematus và loài nhện có mạng Nephila clavipes. Họ đã phát hiện ra rằng sức bền của mạng nhện có thể được giải thích bằng cách nghiên cứu tơ ở mức độ phân tử.

Tiến sĩ Buehler giải thích rằng mỗi sợi tơ có thể bị "hy sinh" để duy trì cấu trúc tổng thể. Ông nói: "Lúc một sợi tơ bị kéo, cấu trúc phân tử của nó trải rộng ra khi lực tác động tăng lên, làm căng sợi tơ."

Sự thay đổi này xảy ra trong bốn giai đoạn: giai đoạn đầu, khi toàn bộ sợi tơ bị kéo căng; giai đoạn thứ hai, khi các protein "mở ra", sau đó là giai đoạn giãn. Giai đoạn thứ ba, sợi tơ trải qua một pha cứng hấp thụ lực tác động mạnh nhất. Giai đoạn cuối cùng trước khi sợi tơ đứt được Buehler ví dụ, giống như khi một miếng băng dính bị đứt, cũng cần một lực đáng kể để phá vỡ sợi tơ vì các protein đang được liên kết với nhau bằng liên kết hydro dính.

Tiến sĩ Buehler giải thích rằng "Độ bền của mạng nhện không chỉ do độ mạnh của sợi tơ mà còn do tính chất cơ học của nó thay đổi như thế nào khi bị kéo.

Cập nhật tin tức công nghệ mới nhất tại fanpage Công nghệ & Cuộc sống