Mô phỏng vỏ ốc để làm áo giáp, mũ bảo hiểm...

Kết quả nghiên cứu mới nhất về cấu trúc vỏ ba lớp của một loài ốc sên sống dưới đáy biển có thể dẫn đến sự ra đời của mũ bảo hiểm, áo giáp, ô-tô, xe máy, đường ống dẫn dầu... thế hệ mới có khả năng làm tiêu tan lực va chạm.

Loại ốc sên chân vảy có tên khoa học là Crysomallon squamiferum được phát hiện trong lòng Ấn Độ Dương ở độ sâu 2,4 km. Các nghiên cứu trước đây cho thấy, chân của loài ốc này phủ đầy những phiến mỏng làm từ sunfua sắt.

Nghiên cứu mới nhất phát hiện ra rằng, đây là loài động vật duy nhất sử dụng sunfua sắt làm vật liệu cấu trúc cho cơ thể mình. Giáo sư Christine Ortiz và đồng nghiệp tại Viện Công nghệ Massachusetts (Mỹ) vừa phát hiện bí quyết phòng vệ của loài ốc này trước sự tấn công của cua biển. Vỏ của các loài ốc khác nứt toác khi bị cua cắp.

Cứng như sắt, mềm như bông

Để đánh giá sức bền và độ cứng của vỏ ốc, các nhà nghiên cứu dùng mũi khoan kim cương chọc vào với một lực tương đương càng cua cắp. Rồi họ sử dụng dữ liệu thu thập được để xây dựng mô hình các lớp của vỏ ốc và giả lập một đợt tấn công của cua vào vỏ ốc đó.

Kết quả nghiên cứu cho thấy ốc sên chân vảy có một số “mánh” rất độc đáo để bảo vệ bản thân mình. Ví dụ, lớp ngoài cùng của vỏ ốc gồm những hạt sunfua sắt được tạo ra ở các miệng phun thủy nhiệt dưới đáy biển.

Mỗi hạt có đường kính trên dưới 20 nano mét (nm) những hạt sunfua sắt ẩn sâu trong một lớp chất hữu cơ do ốc sên tiết ra. Cấu trúc này được thiết kế để khi bị va đập, vỏ ốc sẽ rạn nứt ra nhưng theo hướng hấp thu năng lượng, triệt tiêu lực tác động. 

Ốc chân vảy sống ở độ sâu hơn 2,4 km trong lòng Ấn Độ Dương có "áo giáp" siêu hạng. Ảnh: Anders Warén.

Vết rạn chỉ lan xòe theo hình quạt xung quanh các hạt sunfua sắt. Loại rạn mini kiểu này không những hấp thu năng lượng mà còn đảm bảo rằng các vết nứt lớn hơn không xuất hiện. Kết quả nghiên cứu còn cho thấy, các hạt sunfua sắt có thể làm mòn và biến dạng càng cua.

Lớp giữa của vỏ ốc dày và xốp, đóng vai trò vật đệm để tiếp tục làm tiêu tan lực va chạm. Điều này làm giảm khả năng bị rạn nứt của lớp trong cùng mong manh dễ vỡ vì được hợp thành từ canxi cácbônát.

Theo bà Ortiz, lớp giữa của vỏ ốc có thể là sự thích nghi quan trọng của loài động vật thân mềm này trong môi trường khắc nghiệt dưới đáy biển. Nước axit gần các miệng phun thủy nhiệt hòa tan canxi cácbônát và nhanh chóng làm tăng nguy cơ rạn vỡ.

Với vai trò vệ sĩ, lớp giữa ngăn cản sự hòa tan canxi cácbônát ở lớp ngoài cùng cũng như bảo vệ ốc khỏi sự thay đổi nhiệt độ ở các miệng phun thủy nhiệt.

Ứng dụng vào đồ bảo hộ

Thiết kế ba lớp “cứng - mềm - cứng” có thể được sử dụng để cải tiến trang phục thể thao, áo giáp cho cơ thể người mà không phải gia tăng khối lượng, bà Ortiz nói.

Áo giáp sẽ được phủ một lớp hạt gốc sắt với kích thước nano để làm tiêu tan lực va chạm. Nguyên tắc hấp thu năng lượng và triệt tiêu lực tác động này cũng có thể được áp dụng trong lĩnh vực sản xuất mũ bảo hiểm, xe máy, ô tô và đường ống dẫn dầu thường va chạm với băng trôi.

“Đây là bước đầu tiên trong con đường tìm hiểu cách thức tạo ra hệ thống kỹ thuật bắt chước cấu trúc bảo vệ của sinh vật”, bà Ortiz nhận xét. Bà đang nghiên cứu xây dựng các hệ thống bảo hộ, bảo vệ dựa trên cấu tạo của một số loài động vật như ốc song kinh, nhím biển, bọ cánh cứng, cá vảy Senegal...

Những thiết kế lấy cảm hứng từ tự nhiên có thể không sử dụng toàn bộ vật liệu tìm thấy trong vỏ ốc sên sống dưới đáy biển. Các nhà khoa học sẽ coi đó là cẩm nang để cải tiến nhiều loại sản phẩm trong tương lai.

“Tự nhiên chỉ sử dụng những gì sẵn có”, bà Ortiz nói. Các kiến trúc sư có thể dùng thiết kế tương tự nhưng thay thế một số thành phần bằng vật liệu có đặc tính lý hóa tốt hơn.