Phương pháp sản xuất tơ nhện nhân tạo từ vật liệu hydrogel dạng sợi

0
1398

Một nhóm nghiên cứu gồm các kiến trúc sư và nhà hóa học thuộc Đại học Cambridge, Anh đã chế tạo thành công một loại vật liệu hydrogel ở dạng sợi có cấu tạo giống sợi dây bện nhỏ, siêu bền và có độ đàn hồi cao.

Với khả năng hấp thu năng lượng mặt trời hiệu quả nên vật liệu mới có ưu điểm là rất bền, không độc hại và đặc biệt là có thể được chế tạo ở nhiệt độ phòng. Bài báo về kết quả nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences.

Công nghệ mới ra đời thực tế đã được cải thiện dựa trên những phương pháp sản xuất tơ nhện tổng hợp hiện đang được áp dụng đòi hỏi thực hiện nhiều quy trình tiêu tốn năng lượng hay sử dụng các loại dung môi độc hại. Các nhà nghiên cứu cho biết dạng sợi mới có tiềm năng được sử dụng trong các lĩnh vực sản xuất hàng dệt may, thiết bị cảm biến và nhiều loại vật liệu khác.

Tơ nhện tự nhiên là một trong những loại vật liệu dai nhất từng được biết đến. Trong nhiều nghiên cứu trước đây, các nhà khoa học đã tiến hành mô phỏng và áp dụng những đặc tính của tơ nhện cho một loạt ứng dụng với các mức độ thành công đạt được khác nhau. TS. Darshil Shah, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết: “Trên thực tế, công nghệ mới của chúng tôi vẫn chưa thể hiện đầy đủ đặc điểm của tơ nhện trong”.

Vật liệu hydrogel dạng sợi được thiết kế dưới dạng “xoắn” chứa 98% là phân tử nước và 2% còn lại là các phân tử silica và cellulose – vốn là hai nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên. Các phân tử này liên kết với nhau, tạo thành cấu trúc mạng lưới gồm các “khóa phân tử cucurbituril” rỗng, có kích cỡ nano và hình dạng giống quả bí ngô. Phản ứng hóa học xảy ra giữa các thành phần khác nhau cùng liên kết hydrogel là các yếu tố giúp kéo dài sợi tơ. Các sợi được kéo giãn, dài ra nhờ liên kết hydrogel có đường kính chỉ bằng một vài phần triệu mét. Sau khoảng 30 giây, khi các phân tử thoát ra và hình thành hơi nước, vật liệu sẽ trở nên bền chắc và có độ đàn hồi cao.

Shah cho biết: “Mặc dù vật liệu của chúng tôi chưa phải là dạng sợi có sức dai và độ bền cực đại, nhưng cũng giống như các loại silic tổng hợp và tự nhiên khác, nó vẫn có khả năng chịu áp suất ở mức độ dao động trong khoảng từ 100 – 150 megapascals. Hơn nữa, vật liệu mới không gây độc hại và quy trình sản xuất cũng tiêu tốn ít năng lượng hơn”.

Điểm đặc biệt của cấu trúc của sợi là nó chứa các phân tử có khả năng tự liên kết với nhau trong điều kiện nhiệt độ phòng bằng liên kết hóa học host-guest đại phân tử, nghĩa là liên kết dựa trên lực tương tác liên phân tử chứ không phải liên kết cộng hoá trị mà trong đó các nguyên tử chia sẻ các electron.

Yuchao Wu, nghiên cứu sinh thuộc Khoa Hóa học cho biết: “Khi quan sát cấu trúc vật liệu, bạn sẽ nhận thấy các phân tử liên kết với nhau bởi nhiều lực tương tác ở các mức độ khác nhau, dẫn đến hình thành sự kết hợp của các thuộc tính phức tạp“.

Độ bền của dạng sợi mới được đánh giá cao hơn so với các sợi tổng hợp khác như sợi vitcô – (xenlulô trong trạng thái dẻo, dùng để sản xuất tơ nhân tạo), sợi tơ nhân tạo hay các dạng sợi tự nhiên như tóc người hoặc lông động vật.

Bên cạnh ưu điểm là độ chắc, bền cao, vật liệu còn có khả năng hấp thụ lượng lớn năng lượng mặt trời giống như sợi dây bện bungee. Trên thực tế, có rất ít loại sợi tổng hợp có đặc tính này, nhưng khả năng làm ẩm hiệu quả là một trong những đặc tính đặc biệt và nổi trội của tơ nhện, thậm chí trong một số trường hợp, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng khả năng làm ẩm của tơ nhện còn hiệu quả hơn nhiều so với các sợi tơ tự nhiên.

Shah chia sẻ: “Chúng tôi tin rằng công nghệ là một giải pháp thay thế bền vững cho các phương pháp sản xuất sợi đang được áp dụng hiện nay”. Các nhà nghiên cứu cho biết họ đang lên kế hoạch thực hiện thêm nhiều nghiên cứu để tìm hiểu và khám phá tính chất hóa học và quy trình sản xuất các dạng sợi dây bện.

P.K.L (NASATI), Theo https://www.cambridgenetwork.co.uk/news/green-method-for-making-artificial-spider-silk/, 12/7/2017