Mạng Nhện Có Thực Sự Bền Hơn Thép Không | Thiên Hà TV

Một sợi tơ mỏng hơn tóc người lại có thể chịu được lực kéo đáng kinh ngạc Trong rừng Madagascar, có loài nhện giăng những chiếc mạng khổng lồ bắc ngang qua sông, dài tới hàng chục mét Thậm chí, các nhà khoa học còn thử dùng tơ nhện để nâng và đu cả một người trưởng thành, giống như trong phim Người nhện Vậy mạng nhện có thực sự bền hơn thép, hay đây chỉ là lời đồn được phóng đại? Câu trả lời bất ngờ hơn bạn nghĩ Mạng nhện mỏng manh, nhưng sức mạnh khó tin Bạn đã bao giờ vô tình đi xuyên qua một mạng nhện chưa? Chỉ cần một cái chạm nhẹ, những sợi tơ lập tức dính vào mặt hoặc quần áo Chúng mỏng đến mức gần như không nhìn thấy Và chỉ cần đưa tay gạt đi là có thể làm rách cả chiếc mạng Thế nhưng, những sợi tơ tưởng chừng yếu ớt ấy lại có khả năng chịu lực rất lớn so với kích thước của chúng Quan sát một con nhện đang giăng mạng, bạn sẽ thấy nó di chuyển liên tục giữa các điểm bám Kéo những sợi tơ nối từ cành cây này sang cành cây khác Từng đường tơ dần hình thành tạo nên một chiếc bẫy có cấu trúc khá phức tạp Điều đáng nói là những sợi tơ trên cùng một chiếc mạng không hoàn toàn giống nhau Một số loài nhện có thể tạo ra tới 7 loại tơ Mỗi loại đảm nhận một nhiệm vụ riêng Có loại dùng để cố định mạng vào cành cây Có loại tạo khung chịu lực Trong khi những sợi mềm và mang chất dính giúp giữ côn trùng khi chúng mắc bẫy Nhện còn có loại tơ chuyên dùng để quấn con mồi trước khi ăn Đáng chú ý nhất là tơ kéo, có tên tiếng Anh là dragline silk Đây là loại tơ tạo nên bộ khung và những đường tỏa ra từ tâm của nhiều mạng nhện hình bánh xe Nó cũng đóng vai trò như một sợi dây an toàn giúp nhện treo mình hoặc thả xuống từ trên cao mà không bị rơi tự do Khi một con côn trùng đang bay nhanh bất ngờ lao vào mạng, những sợi tơ phải chịu được cú va chạm và giữ con mồi lại Nhờ sự phối hợp giữa các loại tơ, chiếc mạng có thể thực hiện công việc này dù trông vô cùng mỏng manh Nhưng sức chịu lực của tơ nhện thực sự lớn đến đâu? Các nhà khoa học đã tìm cách đo điều đó trong phòng thí nghiệm Thí nghiệm kéo đứt sợi tơ nhện Tại Đại học Arden, bang Ohio, Mỹ, các nhà nghiên cứu đã tiến hành một thí nghiệm để kiểm tra độ bền của tơ nhện Họ muốn xác định chính xác một sợi tơ có thể chịu được lực kéo lớn đến mức nào trước khi bị đứt Đầu tiên, con nhện được gây mê tạm thời bằng khí carbonic và cố định cẩn thận. Các nhà nghiên cứu nhẹ nhàng kéo tơ từ cơ thể nó, rồi cuốn sợi tơ vào một thiết bị chuyên dụng. Sau đó, một đoạn tơ được đưa vào máy kiểm tra, nơi hai đầu sợi bị kéo theo hai hướng ngược nhau với lực tăng dần. Ban đầu, sợi tơ giãn ra, khi lực kéo tiếp tục tăng, nó bị kéo dài hơn, biến dạng và cuối cùng đứt. Từ lực kéo đo được và tiết diện của sợi, các nhà khoa học tính toán độ bền kéo, tức khả năng chịu lực của vật liệu trước khi bị kéo đứt. Kết quả, mẫu tơ nhện đạt độ bền kéo khoảng 800 MPa. Để hình dung con số này lớn đến đâu, hãy thử làm một phép tính. Giả sử, chúng ta có thể tạo ra một sợi dây hoàn toàn bằng loại tơ nhện ấy, với tiết diện 1 cm2. Nếu sợi dây vẫn giữ được độ bền như mẫu thử, nó có thể chịu lực kéo khoảng 60.000 N trước khi đứt Mức lực này tương đương trọng lượng của một con voi châu Phi trưởng thành nặng khoảng 6 tấn Tất nhiên, các nhà khoa học không thực sự treo một con voi bằng tơ nhện Đây chỉ là phép tính giả định dựa trên kết quả đo được Trong thực tế, việc tạo ra một sợi dây lớn có độ bền đồng đều như những mẫu tơ cực nhỏ khó khăn hơn nhiều Dù vậy, kết quả vẫn rất ấn tượng Một sợi tơ mảnh đến mức gần như vô hình lại có thể đạt độ bền kéo lớn như thế Và tại Madagascar, các nhà nghiên cứu còn tìm thấy một loài nhện tạo ra loại tơ có độ bền cao hơn gấp đôi mẫu vừa được kiểm tra Loài nhện tạo ra những chiếc mạng khổng lồ Giữa những khu rừng nhiệt đới ở Madagascar có một loài nhện nhỏ bé chuyên răng mạng ngay phía trên những dòng sông Nó được gọi là nhện vỏ cây Darwin Tên khoa học là Caerostris darwini Con cái trưởng thành, chỉ dài khoảng vài cm Nhưng những chiếc mạng mà chúng tạo ra có kích thước lớn đến khó tin Ở một số địa điểm, các nhà nghiên cứu phát hiện những sợi tơ neo dài tới khoảng 25 mét Nối từ bờ sông bên này sang bờ bên kia Phần mạng bắt mồi được treo giữa khoảng không, ngay phía trên mặt nước Đây là vị trí thuận lợi để đón những đàn côn trùng bay dọc theo dòng sông Đồng thời giúp nhện khai thác một khoảng không mà nhiều loài khác khó răng mạng Điều khiến các nhà khoa học tò mò là cách một con nhện nhỏ có thể đưa sợi tơ sang tận bờ bên kia Nó không cần bỏ qua dòng nước hay tìm một cây cầu tự nhiên Thay vào đó, con nhện thả sợi tơ vào không khí, tận dụng gió để mang sợi tơ bay đi Khi đầu tơ mắc vào cành cây phía đối diện, nó có thể gia cố đường dây rồi tiếp tục xây dựng chiếc mạng Công việc ấy diễn ra giữa một môi trường đầy biến động, nơi gió liên tục đổi hướng và dòng nước chảy phía dưới. Chỉ cần chọn được những điểm neo thích hợp, con nhện đã có thể tạo ra chiếc bẫy rộng hơn cơ thể nó hàng trăm lần. Tơ của loài nhện này cũng đặc biệt ấn tượng. Các phép đo được giới thiệu trong nghiên cứu cho thấy độ bền kéo có thể đạt khoảng 1.600 MPa, cao hơn gấp đôi mẫu tơ được kiểm tra tại Đại học Akron. Đáng chú ý, một số mẫu còn có khả năng hấp thụ năng lượng rất lớn trước khi đứt Những sợi tơ ấy giúp nhện Darwin tạo ra các chiếc mạng rộng giữa dòng sông Nơi con mồi có thể bay qua bất cứ lúc nào Và khi đặt những con số đo được bên cạnh các vật liệu công nghiệp Người ta bắt đầu nhận ra tơ nhện có những ưu thế rất khác thường Tơ nhện có thực sự bền hơn thép Thép được sử dụng để xây cầu, dựng nhà cao tầng và chế tạo những cỗ máy khổng lồ Trong khi đó, tơ nhện mỏng đến mức chúng ta có thể làm đất chỉ bằng một cái chạm Vậy tại sao loại vật liệu tự nhiên này lại thường được đem ra so sánh với thép? Trước hết, cần hiểu rằng kết quả phụ thuộc vào cách chúng ta so sánh Nếu lấy hai sợi có cùng tiết diện, một số loại thép cường độ cao hoàn toàn có thể chịu lực kéo lớn hơn tơ nhện Những loại thép đặc biệt có thể đạt độ bền kéo gần 3.000 MPa Trong khi tơ nhện Darwin được ghi nhận ở mức khoảng 1.600 MPa Nhưng thép nặng hơn tơ nhện khoảng 6 lần nếu so cùng thể tích Điều này tạo ra sự khác biệt rất lớn khi xét đến trọng lượng Hãy tưởng tượng 2 sợi dây có cùng chiều dài và cùng khối lượng Một làm bằng thép siêu bền, sợi còn lại làm bằng tơ nhện Vì nhẹ hơn, dây tơ nhện có thể được làm dày hơn đáng kể Dây tơ nhện có thể chịu lực kéo lớn hơn khoảng 2 lần trước khi đứt Còn một đặc tính khác cũng rất quan trọng, đó là độ dài, hay khả năng hấp thụ năng lượng trước khi vật liệu bị phá hủy. Chẳng hạn, khi người leo núi bị trượt chân, dây bảo hiểm phải đủ chắc để giữ họ lại, đồng thời có khả năng giãn ra để giảm cú giật đột ngột. Một sợi dây chỉ cứng và khỏe thôi vẫn chưa đủ. Ở đặc tính này, tơ nhện cho thấy kết quả đặc biệt ấn tượng. Một số mẫu tơ nhện Darwin đạt độ dài khoảng 520 megajoules trên mét khối, cao gấp khoảng 3 lần giá trị của loại thép siêu bền được dùng để đối chiếu và khoảng 10 lần mức tham chiếu của Kepler, vật liệu nổi tiếng trong các thiết bị bảo hộ chống đạn. Vì vậy, nói tơ nhện bền hơn mọi loại thép là không chính xác. Nhưng nếu xét khả năng chịu lực so với trọng lượng và mức năng lượng có thể hấp thụ trước khi đứt, tơ nhện thực sự nổi bật. Điều đáng kinh ngạc là những đặc tính ấy được tạo ra trong cơ thể một con vật nhỏ bé, không cần đến lò luyện kim hay máy móc công nghiệp Bí mật nằm ở cấu trúc bên trong từng sợi tơ, nơi những phân tử protein được sắp xếp theo một cách rất đặc biệt Bí mật bên trong sợi tơ nhện Một con nhện có khả năng tạo ra những sợi tơ rất bền ngay trong cơ thể mình, ở nhiệt độ bình thường và không cần bất kỳ máy móc nào Điều mà các nhà khoa học muốn tìm hiểu là tại sao những sợi tơ nhỏ bé ấy lại có đặc tính khác thường đến vậy Để trả lời, họ phải nghiên cứu cấu trúc bên trong sợi tơ, nơi những thành phần cực nhỏ được sắp xếp theo một cách đặc biệt Thành phần chính của tơ nhện là những protein gọi là spidroin Chúng được tạo thành từ các chuỗi acid amine dài, có khả năng hình thành những vùng cấu trúc khác nhau Một số đoạn protein xếp rất chặt chẽ, tạo thành các tinh thể nano cực nhỏ giúp sợi tơ chịu lực Xen giữa chúng là những vùng linh hoạt hơn, cho phép sợi tơ kéo giãn khi bị tác động Để dễ hình dung, hãy tưởng tượng một tấm lưới được tạo thành từ những khối cứng nhỏ nối với nhau bằng dây cao su Khi kéo tấm lưới, các khối cứng giúp giữ cấu trúc ổn định Còn những đoạn dây cao su giãn ra để hấp thụ năng lượng Nhờ sự kết hợp này, tấm lưới có thể chịu được lực kéo mà không bị phá hủy ngay lập tức Tơ nhện cũng hoạt động theo nguyên lý tương tự dù cấu trúc thực tế phức tạp hơn nhiều Điều thú vị là những protein ấy ban đầu tồn tại dưới dạng dung dịch đậm đặc trong tuyến tơ của nhện Khi được đưa qua hệ thống ống dẫn và kéo ra ngoài, chúng dần sắp xếp lại để hình thành sợi tơ hoàn chỉnh Quá trình này diễn ra nhanh chóng, nhưng tạo ra một vật liệu có những đặc tính mà con người vẫn đang cố gắng tái tạo. Chính cách tổ chức các phân tử bên trong sợi tơ đã tạo nên sự khác biệt, và nếu muốn sản xuất loại vật liệu này với số lượng lớn, con người trước hết phải tìm được nguồn protein phù hợp. Vì sao con người không thể nuôi nhện lấy tơ? Năm 1709, một người Pháp tên François Xavier Bon đã nghĩ ra một cách khá kỳ công để làm vải từ nhện. Ông thu thập hàng trăm túi trứng nhện, xử lý lớp tơ bao quanh chúng, rồi kéo sợi để dệt thành những đôi tất, sản phẩm đặc biệt đến mức thu hút sự chú ý của giới quý tộc Pháp. Nhưng khi muốn sản xuất nhiều hơn, ông gặp ngay một vấn đề lớn, kiếm đâu ra đủ nguyên liệu. Hơn ba thế kỷ sau, tại Madagascar, hai người đàn ông tên Simon Pierre và Nicholas Gottlieb quyết định thực hiện một dự án còn táo bạo hơn. Họ huy động nhiều người dân địa phương vào rừng, thu thập hơn một triệu con nhện dệt tơ vàng, tơ được lấy thủ công, sau đó dệt và thêu thành một chiếc áo tràng màu vàng óng tuyệt đẹp. Công việc kéo dài nhiều năm đòi hỏi sự kiên nhẫn và công sức khổng lồ. Nhìn chiếc áo tràng ấy, có lẽ nhiều người sẽ thắc mắc tại sao chúng ta không xây dựng trang trại nhện giống như trang trại tằm Vấn đề nằm ở chính những con nhện Phần lớn loài nhện không thích sống trên trúc, nhiều loài còn có tập tính ăn thịt đồng loại Nếu nhốt hàng nghìn con trong một không gian nhỏ, chúng có thể tấn công và ăn lẫn nhau Nuôi riêng từng con thì lại cần diện tích lớn, chưa kể việc cho ăn và chăm sóc rất tốn công Thu hoạch tơ cũng chẳng dễ dàng, mỗi con chỉ cung cấp một lượng nhỏ trong một lần lấy tơ Và không phải lúc nào chúng cũng chịu hợp tác Có con liên tục nhả tơ, nhưng cũng có con nhanh chóng ngừng lại Bởi vậy, tơ nhện tự nhiên trở thành nguyên liệu cực kỳ đắt đỏ Một nhà cung cấp bán 100mg tơ nhện với giá 700 USD, tương đương khoảng 7 triệu USD cho mỗi kg nếu tính theo đường giá ấy Với chi phí như vậy, sản xuất đại trà gần như không khả thi Các nhà khoa học buộc phải tìm một con đường khác Bắt đầu từ việc tạo ra protein từ nhện mà không cần nuôi chính loài vật này Những thí nghiệm kỳ lạ để tạo ra tơ nhện Một con dê có thể tạo ra tơ nhện không? Nghe có vẻ khó tin Nhưng các nhà khoa học đã thực sự tạo ra những con dê mang gen sản xuất protein tơ nhện Nhìn bên ngoài, chúng vẫn giống những con dê bình thường ăn cỏ, đi lại và cho sữa như bao con dê khác. Ý tưởng này xuất hiện sau khi các nhà nghiên cứu xác định được những gen mang thông tin để tạo ra protein tơ nhện. Nếu đưa các gen ấy vào sinh vật khác và khiến chúng hoạt động đúng cách, người ta có thể thu được nguyên liệu mà không cần nuôi nhện. Cuối những năm 1990, các nhà nghiên cứu tại Dupont đã thử đưa gen tơ nhện vào vi khuẩn E.coli và nấm men. Những sinh vật này sinh sản nhanh, có thể được nuôi trong các thiết bị lên men để tạo ra protein Đến năm 2001, một nhóm nghiên cứu ở Đức tiếp tục thử nghiệm trên cây thuốc lá và khoai tây Mở thêm một hướng sản xuất bằng thực vật Nhưng câu chuyện gây chú ý nhất đến từ công ty Nexia ở Canada Họ đưa gen liên quan đến tơ nhện vào dê, khiến tuyến sữa của những con vật biến đổi gen có thể tạo ra protein đặc biệt này Khi dê tiết sữa, protein tơ nhện cũng xuất hiện trong đó và có thể được tách ra để sử dụng trong nghiên cứu Thử tưởng tượng một trang trại dê cung cấp nguyên liệu cho những sợi dây siêu bền Ý tưởng rất hấp dẫn, nhưng các nhà khoa học sớm gặp một trở ngại Protein lấy từ vi khuẩn, thực vật hay sữa dê chưa phải là tơ nhện hoàn chỉnh Muốn sử dụng được, người ta vẫn phải xử lý và kéo chúng thành những sợi có chất lượng phù hợp Thay vì tiếp tục tìm cách bắt trước toàn bộ quá trình kéo tơ của nhện bằng máy móc, các nhà nghiên cứu bắt đầu chú ý đến con tầm. Loài côn trùng này đã được con người nuôi từ hàng nghìn năm trước và vốn có sẵn một hệ thống tạo tơ rất hiệu quả. Biến tầm thành nhà máy sản xuất tơ nhện. Một con tầm có thể nhả ra sợi tơ dài hàng trăm mét, cuộn thành chiếc kén bao quanh cơ thể. Khả năng ấy đã được con người khai thác suốt hàng nghìn năm để diệt lụa. Ngày nay, những trang trại có thể nuôi hàng triệu con tầm, thu hoạch kén và kéo sợi với quy mô lớn Từ nền tảng có sẵn đó, các nhà khoa học đã thử đưa gen sản xuất protein tơ nhện vào tầm với hy vọng tạo ra loại sợi kết hợp những đặc tính của cả hai loài Tại Mỹ, công ty Craig Biocraft Laboratories đã theo đuổi hướng nghiên cứu này Quá trình bắt đầu từ những quả trứng tầm nhỏ bằng đầu đinh ghim Dưới kính hiển vi, các nhà nghiên cứu sử dụng kim cực mảnh để đưa vật liệu di truyền vào trứng Sau đó nuôi và chọn lọc những cá thể mang gen mong muốn Một phương pháp được sử dụng là hệ thống chuyển gen Piggyback giúp đưa đoạn ADN mới vào bộ gen của tầm Các công nghệ như CRISPR-Cas9 cũng được nghiên cứu để chỉnh sửa gen tại những vị trí chính xác hơn Mục tiêu là khiến tuyến tơ của tầm tạo ra protein nhện trong quá trình sản xuất sợi Những con tằm biến đổi gen đã tạo ra loại tơ có đặc tính cơ học được cải thiện. Theo thông tin được đại diện Greiger giới thiệu, các mẫu tơ đạt trung bình khoảng 60% độ bền của loại tơ nhện được dùng để so sánh, dù thành phần protein nhện trong sợi còn hạn chế. Công ty cũng công bố đã sản xuất khoảng nửa tấn kén tằm biến đổi gen trong một năm thử nghiệm. Đây là một bước tiến về quy mô sản xuất thử nghiệm, dù chất lượng sợi và hiệu quả kinh tế vẫn cần được đánh giá thêm. Những chiếc kén trông chẳng khác gì kén tằm thông thường Nhưng sợi tơ bên trong đã mang dấu ấn của công nghệ biến đổi gen Từ đây, câu chuyện chuyển sang một hướng thú vị hơn Nếu có thể sản xuất loại vật liệu này với số lượng lớn Con người sẽ sử dụng nó vào những việc gì? Tơ nhện nhân tạo có thể thay đổi tương lai Hãy tưởng tượng một chiếc áo khoác vừa nhẹ vừa bền Có thể chịu được những lực kéo mà vải thông thường khó đáp ứng Hoặc một sợi dây leo núi chắc chắn nhưng không quá nặng giúp người sử dụng mang theo dễ dàng hơn Đó là những ứng dụng mà các nhà khoa học đang hướng tới khi nghiên cứu tơ nhện nhân tạo Trong ngành may mặc, vật liệu lấy cảm hứng từ tơ nhện đã bắt đầu xuất hiện Công ty Spiber của Nhật Bản sử dụng công nghệ lên men để sản xuất protein Sau đó xử lý thành sợi dệt Một số thương hiệu như The North Face và Goldwin đã hợp tác phát triển những sản phẩm quần áo sử dụng loại vật liệu này Tuy nhiên, đây vẫn là lĩnh vực đang phát triển chưa thể thay thế các loại vải phổ biến trên thị trường Quân đội cũng quan tâm đến khả năng ứng dụng tơ nhện Năm 2016, quân đội Mỹ tài trợ cho Craig Biocraft nghiên cứu những tấm vật liệu bảo vệ làm từ tơ biến đổi gen Mục tiêu là tìm kiếm một loại sợi nhẹ có khả năng hấp thụ năng lượng tốt phù hợp với các thiết bị bảo hộ Dù vậy, để trở thành áo chống đạn thực sự Vật liệu còn phải vượt qua nhiều thử nghiệm nghiêm ngặt Trong y học, triển vọng cũng rất đáng chú ý Tơ nhện đang được nghiên cứu để chế tạo chỉ khâu, vật liệu cấy ghép và những cấu trúc hỗ trợ tế bào phát triển Một số nhóm nghiên cứu còn tìm cách sử dụng sợi tơ làm đường dẫn giúp các dây thần kinh bị tổn thương phục hồi Tại Đức, công ty AMSilk cũng phát triển protein lấy cảm hứng từ tơ nhện để ứng dụng trong vật liệu dệt Lớp phủ và các sản phẩm công nghệ sinh học Tuy nhiên, sản xuất được sợi tơ tốt trong phòng thí nghiệm Khác xa việc tạo ra hàng nghìn tấn Với chất lượng ổn định và giá thành hợp lý Đó vẫn là rào cản lớn nhất Còn một câu hỏi thú vị hơn đang chờ lời giải Nếu tơ nhện đã có thể được sản xuất thành dây Liệu một người trưởng thành có thể dùng nó để đu mình như trong phim người nhện? Vậy mạng nhện có thực sự bền hơn thép? Điều đó phụ thuộc vào cách so sánh Nếu xét cùng tiết diện, một số loại thép vẫn chịu lực kéo tốt hơn Nhưng khi tính đến trọng lượng và khả năng hấp thụ năng lượng, tơ nhện lại cho thấy những ưu thế đáng kinh ngạc Điều đặc biệt là một con nhện nhỏ bé có thể tạo ra loại vật liệu ấy ngay trong cơ thể mình Điều mà con người vẫn đang tìm cách học hỏi Lần tới, khi bắt gặp một mạng nhện trong góc vườn, có lẽ bạn sẽ nhìn nó bằng ánh mắt khác Biết đâu ngay trong những điều bình thường nhất của tự nhiên vẫn còn vô số bí mật mà khoa học chưa khám phá hết.