Nghiên cứu khoa học vật liệu từ sinh vật biển

Ốc sên biển, nhím biển và các sinh vật biển khác đang hướng dẫn các nhà nghiên cứu thuộc Khoa Kỹ thuật môi trường và hóa chất, ĐH California Riverside (UCR), làm cách nào để biến thế giới thành một nơi tốt đẹp hơn. Ví dụ, xem xét khả năng thiết kế áo giáp trọng lượng nhẹ bảo vệ binh lính Mỹ ở Iraq trước các thiết bị nổ. Hoặc chất liệu sứ linh hoạt cho công nghiệp. Hoặc làm thế nào mọi người đều hưởng lợi từ biện pháp sản xuất và dự trữ năng lượng mới.

Tự nhiên nắm giữ những bí ẩn và lời giải đáp cho các câu hỏi mà Giáo sư David Kisailus cùng nhóm nghiên cứu của mình đang tìm cách đặt ra. “Tôi hy vọng rằng chúng ta thực sự học được cách thiết kế, hiệu chỉnh và tổng hợp các chất liệu kỹ thuật từ những sinh vật này, có những đặc tính mà bản thân những kỹ sư như chúng tôi chỉ dám mơ đến.”

Nghiên cứu sự phát triển hàng ngày của sinh vật biển dường như là một thách thức với các nhà khoa học thuộc Inland Southern California. Thay vì phải đi lại hàng ngày đến bờ biển, họ tạo nên một đại dương trong hệ thống nước biển gần 2.000 lít chiếm trọn Phòng thí nghiệm Vật liệu Nano và mô phỏng sinh học, môi trường sống cho cả loài sống nước lạnh (nhiệt độ môi trường khoảng 15^oC) và loài nhiệt đới (môi trường khoảng 26^oC).

Các loài sinh vật không xương sống bản địa California có vai trò làm hình mẫu nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Giáo sư David Kisailus. (Ảnh: Judy Chappell, UC Riverside)

Trong khi một số người vất vả tìm đến những địa điểm xa xôi để chiêm ngưỡng vẻ đẹp của rặng san hô, thì ở UCR, mọi người chỉ cần đến thăm Bourns Hall để chứng kiến hệ sinh thái san hô nhiệt đới chân thực và đẹp đến mức sững sờ. Một bồn chứa khác là nơi cư trú của cộng đồng sinh vật biển nước lạnh bao gồm bào ngư đỏ California (Haliotis rufescens), nhím biển tím và nâu (Strongylocentrotus purpuratus và Lytechinus pictus), sao sao lỗ khóa khổng lồ (Megathura crenulata), vài loài san hô (Balanophyllia elegans, Astrangia lajollaensis và Paracyathus stearnsi), cùng với vô số các nhóm corallimorpharians đầu gậy (Corynactis californica).

Những bồn chứa khác giữ các sinh vật dành để nghiên cứu, trong khi một loạt các bồn chứa nhỏ riêng biệt dành cho các loài kỳ lạ, hung hăng hơn hoặc các loài cần khẩu phần dinh dưỡng đặc biệt. Bộ phận trung tâm của hệ thống bơm và lọc lưu thông và xử lý nước với tốc độ chảy gần 40.000 lít nước mỗi giờ, đem lại môi trường gần với nơi cư trú tự nhiên của chúng.

James Weaver, nhà động vật học nghiên cứu các loài không xương sống dưới biển, thiết kế và xây dựng hệ thống bồn chứa và lọc phức tạp, bao gồm bioreactor hóa lỏng cao gần 2m. Nhưng đối với các nhà nghiên cứu này, các loài động vật trong bồn mới thực sự là những tuyệt tác trong ngành cơ khí. “Chúng tôi chỉ tận dụng tự nhiên làm nền tảng cảm hứng.”

Kisailus lần đầu hứng thú với khoa học vật liệu khi thực hiện nghiên cứu trong phòng thí nghiệm với vị trí nghiên cứu sinh tại ĐH Drexel. Sau khi nhận bằng thạc sĩ ngành Khoa học vật liệu tại ĐH Florida, Kisailus nhận bằng Tiến sĩ tại ĐH California, Santa Barbara, nơi ông gặp sinh viên Weaver, cộng sự của mình.

Cả hai đều mơ ước một ngày họ có thể kết hợp chuyên ngành động vật không xương sống của Weaver với khoa học vật liệu của Kisailus. Tại UCR, giấc mơ đó đã trở thành sự thật. “Chúng tôi thường xuyên tranh luận những ý tưởng của nhau và dường như chúng tôi không bao giờ cạn kiệt những ý tưởng mới.”

Weaver là người đem đến những loài vật có đặc điểm đặc biệt, trong khi Kisailus thực hiện các thí nghiệm. “James đem đến cho tôi kiến thức về tất cả những sinh vật này. Tôi quan sát cách loài bào ngư phát triển lớp vỏ của chúng. Có lẽ chúng ta có thể áp dụng kỹ thuật tương tự để biến đổi cấu trúc nano vào pin năng lượng mặt trời để chúng hiệu quả hơn.”

Nhím biển tổng hợp loại gốm dẻo…và một số loài bọt biển hình thành sợi hoặc dạng que chịu va đập. “Chúng tôi quan sát hệ thống xương khoáng hóa này và ứng dụng những bài học rút ra từ công trình nghiên cứu để áp dụng vào kỹ thuật cơ khí đời thực.”

Xem xét bào ngư đỏ, loài lớn nhất trong nhóm sên biển của California, với lớp vỏ lớn hình ô-van mà người dân bản địa vùng biển từng sử dụng làm bát. Bên trong là xà cừ, một loại vật liệu hấp thụ năng lượng. Theo Kisailus, có lẽ bào ngư có thể giúp các nhà khoa học các chế tạo một loại áo giáp trọng lượng nhẹ đủ chắc chắn để bảo vệ binh lính Mỹ trước các đợt tấn công bằng vũ khí nổ tự tạo gây sát thương lớn ở Iraq.

Khi loài bào ngư đỏ phát triển, nó tạo lớp vỏ tương tự như ta xây một tòa nhà mới, xà và cột xây trước. Tuy nhiên, trong trường hợp của bào ngư, phần nền móng này cấu tạo từ chất liệu hữu cơ. Sau đó nó lấp những khoảng trống giữa các phần nền móng bằng thành phần khoáng chất, kết quả là sự hình thành hợp chất nano nhiều tầng rất chắc và bền. “Điều này diễn ra theo chiều hướng đã được định trước, tất cả đều do gien điều khiển.”

Các nhà khoa học đang cố gắng mô phỏng độ chính xác trên, dùng cốc thí nghiệm và các chất hóa học đơn giản để chế tạo ra các loại vật liệu với hình dạng và kích cỡ tùy biến. Nếu họ thành công, Kisailus thấy trước tương lai của khả năng dự trữ và chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn – và cuối cùng, những giải pháp cho sự khủng hoảng toàn cầu. “Hãy tưởng tượng một loại pin năng lượng mặt trời ít tốn kém, mềm dẻo và năng suất cao. Tôi tin rằng nhiều loài sinh vật mà chúng tôi đang nghiên cứu nắm giữ giải pháp cho những vấn đề này.”

Các bồn chứa đang thu hút thêm các nhà khoa học trẻ. “Những kinh nghiệm cộng tác và công trình khi còn làm nghiên cứu viên thời sinh viên ở ĐH Drexel đã hướng tôi đến con đường này và kích thích trí tưởng tượng của tôi. Mặc dù tôi là giảng viên mới và có hai nghiên cứu sinh, tôi đang tuyển thêm nhiều sinh viên đại học làm việc trong phòng thí nghiệm của tôi và học cách liên kết sách vở với nghiên cứu. Hiện tại tôi có 11 sinh viên làm việc thường xuyên trong phòng thí nghiệm và có lẽ sẽ tuyển thêm nhiều sinh viên có khả năng nổi bật. Tôi hy vọng có thể truyền cảm hứng cho họ theo cách từng xảy ra với tôi và khiến họ hứng thú với khoa học vật liệu và mô phỏng sinh học.”

Kisailus cũng muốn mời trẻ em trong vùng, từ nhà trẻ đến trung học, đến tham quan phòng thí nghiệm và chiêm ngưỡng vẻ đẹp của các bồn chứa sinh vật biển. Ông hy vọng chúng sẽ không ngừng học tập. “Bọn trẻ là tương lai.”