Bền, nhẹ và chắc chắn: Ba tính chất giúp tạo ra các vật liệu mới

(khoahoc.tv) - Trong một đánh giá sâu rộng về lĩnh vực kỹ thuật lấy cảm hứng từ sinh học và phỏng sinh học trong tạp chí Science xuất bản ngày 15 tháng hai, hai kỹ sư tại đại học California, San Diego đã xác định ba đặc tính của vật liệu sinh học mà họ tin rằng các kỹ sư phải làm tốt để cạnh tranh với nhau trong các vật liệu nhân tạo: trọng lượng nhẹ, độ bền và sức mạnh.

Joanna McKittrick và Marc Meyers, từ các chương trình khoa học vật liệu tại Trường Kỹ thuật Jacobs tại đại học California San Diego, đã kiểm tra ba đặc điểm này trong một loạt các vật liệu, từ tơ nhện tới các vỏ tôm hùm và vỏ bào ngư, tới mỏ những con chim toucan và lông nhím. Hai nhà nghiên cứu này cho biết bài học kinh nghiệm rút ra từ các vật liệu này có thể dẫn các kỹ sư tới những kỹ thuật để tạo ra các tấm áo giáp tốt hơn, các máy bay nhẹ và mạnh mẽ hơn, các vật liệu linh hoạt hơn.

Các kỹ sư cho biết kỹ thuật in 3-D tạo ra các cơ hội mới để chế tạo các vật liệu này, "Một con bào ngư không tạo ra một cái vỏ trong một sớm một chiều", McKittrick nói. "Nhưng bạn có thể xây dựng một loại vật liệu tương tự như vỏ bào ngư bằng cách sử dụng các nguyên tắc chúng tôi đã học được từ thiên nhiên bằng cách in trên lớp của các trầm tích khoáng vật - và thực hiện điều đó nhanh hơn nhiều so với tự nhiên có thể làm được”.

Meyers và McKittrick đang nghiên cứu các thiết kế lấy cảm hứng từ sinh trong hơn một thập kỷ, và được ủy quyền để viết bình luận nghiên cứu về chủ đề này cho tạp chí Science. Trong những năm qua, họ đã sử dụng một mảng rộng các công cụ tiên tiến, từ nhiễu xạ tia X đến kính hiển vi điện tử; và đã phát triển thử nghiệm các tính chất cơ học của vật liệu ở cấp độ nano, để hiểu được cấu trúc cơ bản của các vật liệu được tìm thấy ở các loài động vật và thực vật.

"Mẹ thiên nhiên cho chúng ta mẫu", ông McKittrick nói. "Chúng tôi đang cố gắng để hiểu chúng hơn vì thế chúng tôi có thể bổ sung chúng trong vật liệu mới".

"Chúng tôi phác thảo các cơ chế có thể giúp chúng tôi làm sáng tỏ các tính chất của vật liệu sinh học", Meyers nói.

Meyers cho biết thiết kế lấy cảm hứng từ sinh học đã là một phần của khoa học và kỹ thuật trong một thời gian dài - từ truyền thuyết về Icarus, máy bay của Leonardo Da Vinci, lấy cảm hứng từ các loài chim, tới các vật liệu hiện đại như Velcro.

Vật liệu bền làm chệch hướng các vết nứt bằng cách dựng rất nhiều chướng ngại để ngăn chặn các vết nứt khỏi truyền theo đường thẳng. Vật liệu trong tự nhiên sử dụng các chiến lược khác nhau để đạt được kết quả này. Một trong đó là gắn vào các sợi collagen co giãn trong các vật liệu giòn. Một cách khác là sử dụng các mặt phân giới giữa các lớp của các vật liệu để tạo ra các chướng ngại.

Ví dụ, ở cấp độ nano, vỏ bào ngư được tạo ra bởi hàng ngàn lớp "gạch" làm từ cacbonat canxi CaCO₃ (thường được gọi là phấn), rộng khoảng 10 micromet và dày khoảng 0,5 micromet, tương đương với độ dày bằng khoảng một phần trăm (1%) so với độ dày của một sợi tóc.

Các đống gạch không được sắp xếp theo trật tự sẽ phản chiếu ánh sáng để mang lại ánh đặc trưng của con bào ngư. Chúng được bố trí trong một cấu trúc giống như gạch có trật tự sắp xếp trong cấu hình bền nhất có thể có về mặt lý thuyết.

Mấu chốt tạo ra sức mạnh của vỏ bào ngư chính là một chất kết dính protein liên kết với các bề mặt trên và dưới của các viên gạch CaCO₃. Loại keo này đủ mạnh để giữ các lớp gạch lại với nhau, nhưng cũng đủ yếu để cho phép các lớp trượt qua một bên, hấp thụ năng lượng của một cú đập nặng trong quá trình này. Những con bào ngư nhanh chóng làm liền lại những vết nứt gây ra bởi các tác động, và chúng cũng để lại các “dải tăng trưởng” (growth band) chất hữu cơ trong suốt các thời gian chuyển mùa trong sự phát triển vỏ sò. Các dải tăng trưởng tăng cường sức mạnh của các vỏ sò. Meyers tin rằng các thiết kế được lấy cảm hứng từ cấu trúc của vỏ bào ngư có thể giúp cải tiến các vật liệu ceramic trong tương lai.

Động vật phát triển các cấu trúc vô cùng nhẹ, các cấu trúc bền tương thích với chuyển động, bao gồm cả hoạt động bay. Hãy nghĩ về những chiếc lông chim, những cái lông nhím và những cái mỏ chim. Những cấu trúc này được làm bởi các vật liệu không uốn cong trong khi càng nhẹ càng tốt. Hầu hết đều được làm bằng cấu trúc giống như ống với đường kính khá lớn. Nhưng khi đường kính của các ống này đạt đến một kích thước nhất định, chúng ngày càng trở nên giống như bị uốn cong. Để tăng sức chống để uốn cong, sau đó các ống này được lấp đầy bởi một chất bọt.

Ví dụ, vật chất bên trong của mỏ chim toucan là một loại "bọt" cứng được làm bằng các sợi xương và màng giống như trống kẹp giữa các lớp bên ngoài của keratin, loại protein tạo nên móng tay, tóc và sừng. Kết quả là "bọt" rắn làm bằng tế bào kín làm cho chiếc mỏ cứng thêm. Giống như một căn nhà được bao phủ bởi một mái nhà đơn, lớp bọt được che phủ với các lớp gạch keratin chồng lên nhau, mỗi lớp có đường kính khoảng 50 micromet và dày khoảng 1 micromet, được gắn với nhau để tạo thành các tấm.

Meyers cho biết hợp chất sinh học được tìm thấy trong mỏ chim toucan có thể truyền cảm hứng để thiết kế các máy bay cũng như các bộ phận của phương tiện vận tải siêu nhẹ.

Các nhà nghiên cứu cũng mô tả các chiến lược khác để làm các đồ vật có trọng lượng nhẹ. Một số xương cánh của chim có các cấu trúc thanh chống liên tiếp. Tre được tạo nên bởi các đốt không bị nứt vỡ.

"Các hệ thống tự nhiên được xây dựng từ một số rất ít các nguyên tố, tuy vậy chúng sử dụng những cách khéo léo để lắp ráp tất cả các vật liệu khác nhau nhằm tối đa hóa các tính chất của chúng", McKittrick nhận xét.

Polime sinh học, chẳng hạn như collagen, là một thành phần quan trọng của vật liệu bền chắc có tính chất tự nhiên. Ở mức áp lực thấp hơn, chúng có thể kéo dài đáng kể, các phân tử không cuộn và không xoắn của chúng, mà không vỡ ra. Ở mức áp lực cao hơn, chính xương sống của polymer này trải dải ra. Những polime sinh học này được tìm thấy giữa các vật liệu cứng, làm nên sức mạnh tự nhiên của các vật liệu này.

Ví dụ, tơ nhện có cả độ bền kéo và khả năng mở rộng cao. "Nó mạnh hơn hầu hết bất kỳ một vật liệu nào”, Meyers nói. Tơ nhện được làm bởi các tấm xếp nếp các tinh thể nano kết nối bởi các liên kết hydro yếu và được gắn vào trong các sợi protein.

Dưới áp lực thấp, các sợi protein không cuộn và thẳng, giống như các polime sinh học. Dưới áp lực cao hơn, tải sẽ được chuyển sang cho các tinh thể nano. Nếu cần thiết, một số liên kết hydro sẽ trượt, cho phép cấu trúc kéo dài ra mà không làm đứt vỡ.

Sức bền của tơ nhện phụ thuộc vào các liên kết hydro, điều này gợi ý cho các nhà nghiên cứu về một cách mới để tạo ra những vật liệu mạnh mẽ hơn. Thật tình cờ cấu trúc tương tự như vậy cũng được tìm thấy trong xương.

Những cấu trúc phức tạp bền chắc hơn có thể được tìm thấy trong tất cả mọi thứ từ len cho tới những quả trứng ốc buxin.

Meyers cho biết còn nhiều ví dụ về các vật liệu và các thiết kế được lấy cảm hứng từ sinh vật. Tuy nhiên trong tương lai, các nhà nghiên cứu sẽ còn phải dành nhiều thời gian để làm các vật liệu này trở nên tốt hơn.