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

Tơ nhện từ lâu đã nổi tiếng là loại vật liệu tự nhiên có độ bền kinh khủng bậc nhất. Thậm chí, có những loài nhện nhả ra tơ chắc khỏe gấp 5 lần thép như nhện nâu Loxosceles reclusa chẳng hạn. Nhưng cũng cần phải tự hỏi là vì sao tơ nhện nhìn mỏng manh thế mà lại có độ bền quá khủng, đây cũng là câu hỏi khiến các nhà khoa học phải đau đầu, và gần đây họ mới tìm ra được câu trả lời.

Tơ nhện có cấu tạo rất bền, thậm chí bền hơn cả những dây thép.

Tơ nhện có cấu trúc độc lạ

Tơ nhện là sợi protein mà nhện tạo ra và xe sợi. Chúng sử dụng tơ tạo nên mạng nhện để bắt mồi hoặc để bảo vệ trứng và nhện con. Kết cấu chắc chắn của những sợi tơ này giúp nhện có thể bắt giữ được những con mồi có kích thước lớn gấp nhiều lần chúng.

Gần đây, các nhà nghiên cứu thuộc Khoa Khoa học ứng dụng, Đại học William và Mary (Mỹ) đã sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử để quan sát cấu trúc vi mô của những sợi tơ mà loài 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 ra được tạo thành từ hàng nghìn sợi nano khác nhau, đường kính chỉ bằng 20 nm và dài khoảng 1 μm.

Nghe thì có vẻ sợi nano này không dài nhưng chúng lại có thể kéo giãn hơn 50 lần kích thước ban đầu. Chính kết cấu này khiến tơ nhện trở nên rất dai và chắc chắn, có sức mạnh và độ bền lớn hơn 1 thanh thép cùng kích thước tới 5 lần.

Tơ nhện có thể kéo giãn gấp 50 lần kích thước ban đầu.

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

Lý do là bởi kết cấu tơ của nhện nâu ẩn dật là các sợi nano sắp xếp dàn phẳng mà không theo hình trụ giống phần lớn các loài nhện khác. Điều này giúp các nhà khoa học dễ dàng quan sát chúng bằng kính hiển vi lực nguyên tử hơn.

Kết quả này bổ sung thêm vào nghiên cứu mà nhóm thực hiện năm 2017, chứng minh cách thức nhện nâu ẩn dật củng cố sức mạnh sợi tơ bằng kỹ thuật tạo vòng lặp đặc biệt. Cơ thể giống như một chiếc máy may nhỏ xíu, nhện nâu ẩn dật dệt khoảng 20 sợi nano trên mỗi mm tơ nó đẩy ra để tăng cường độ chắc chắc 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 cơ học phân tử đã kiểm tra mạng của những loài nhện khác nhau bao gồm loài nhện vườn châu Âu có tên Araneus diadematus và loài nhện chăng mạng tên Nephila clavipes. Bằng cách nghiên cứu tơ ở mức độ phân tử, họ nhận thấy có thể lý giải sức bền của mạng nhện.

Tiến sĩ Buehler giải thích 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, làm căng sợi tơ".

Sợi tơ nhện chỉ đứt khi nó muốn duy trì tổng thể cấu trúc.

Sự thay đổi này diễn ra trong 4 giai đoạn: giai đoạn đầu, toàn bộ sợi tơ bị kéo căng; tiếp đó là giai đoạn giãn khi các protein "mở ra". Giai đoạn thứ ba, sợi tơ trải qua một pha cứng hấp thụ lực tác động lớn nhất. Giai đoạn cuối cùng trước khi sợi tơ đứt được Buehler ví với việc dứt một miếng băng dính, cũng cần một lực lớn để phá vỡ sợi tơ vì các protein đang được gắn với nhau bằng liên kết hydro dính.

“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" - tiến sĩ Buehler cho biết.