Tơ nhện có thể mang đặc tính của lò xo hoặc cao su

Loại vật liệu siêu bền và chắc này cứng hơn cả thép, dai hơn nylon và co giãn tốt hơn cả vật liệu Kevlar. Vậy nó là vật liệu nào? Không đâu xa chính là tơ nhện.

Việc tìm hiểu cách tạo ra tơ nhện là một trong những điều kì diệu của ngành công nghiệp vật liệu. John Gosline trong suốt sự nghiệp làm khoa học của mình đã luôn bị cuốn hút bởi tơ nhện và độ bền chắc đáng ngạc nhiên của nó.

Ông giải thích rằng nếu chúng ta muốn học cách tạo ra tơ nhện, chúng ta phải hiểu mối quan hệ trong các thành phần cũng như đặc tính cơ học của các sợi tơ. Đó là lý do tại sao ông hướng tập trung đến loại tơ kéo – một trong rất nhiều loại tơ mà nhện tạo ra.

Theo Gosline, nhện sử dụng tơ kéo tất nhiên với mục đích làm dây kéo, tạo khung và cấu trúc tỏa tròn của mạng nhện. Bất cứ một cái mạng nhện nào cũng đòi hỏi khối lượng năng lượng khổng lồ để tạo dựng mà không làm đứt gãy. So sánh trật tự axit amino của protein trong tơ kéo giữa hai loài nhện Araneus diadematus và Nephila clavipes, Gosline phát hiện ra sự khác biệt ở mỗi loài. Tơ nhện Araneus rất giàu axit amino proline trong khi tỉ lệ proline trong tơ nhện Nephila lại rất thấp.

Tò mò với ảnh hưởng của protein đối với mỗi loại tơ, Gosline cùng sinh viên Ken Savage đã tiến hành so sánh đặc tính cơ học của hai loại tơ nhằm tìm hiểu amino axit proline ảnh hưởng như thế nào đối với độ bền của tơ nhện.

Tuy nhiên việc lấy được tơ mẫu cũng là một vấn đề. Gosline giải thích rằng nhện thường điều chỉnh các thức chăng tơ tùy thuộc vào điều kiện của chúng. Do đó ông và Savage phải để những con nhện chăng tơ tự do nhằm đảm bảo tơ kéo được tạo ra càng đồng nhất càng tốt. Sau khi đã có được nguồn tơ mẫu đáng tin cậy, Savage tiến hành thử nghiệm các đặc tính cơ học của tơ. Rất cẩn thận trong việc kéo dãn sợi tơ khô để đo lực, nhóm đã nhanh chóng nhận thấy hai loại tơ nói trên có đặc tính khá giống nhau, sự hiện diện của proline có rất ít hoặc không hề có ảnh hưởng đến đặc tính của tơ khô.

(Ảnh: National Geographic)

Nhưng khi Savage bắt đầu nghiên cứu tơ bị hyđrat hóa thì lại là một câu chuyện hoàn toàn khác. Ban đầu, tơ ướt của nhện Araneus co lại rồi sau đó phồng lên nhiều hơn so với tơ thiếu proline của loài nhện Nephila. Savage cũng thử nghiệm độ cứng của tơ rồi nhận thấy tơ nhện Nephila cứng hơn gần 10 lần tơ nhện Araneus. Cuối cùng, khi biết được khu vực tập trung protein trong tơ để tạo nên tinh thể hiển vi trong một sợi tơ, Savage đã tiến hành đo tính chiết quang kép (tính lưỡng chiết) của tơ nhằm so sánh hai loại tơ trên, đồng thời giải đáp câu hỏi liệu cơ cấu tổ chức protein của tơ có bị thay đổi khi bị ướt hay không. Protein trong tơ nhện Nephila luôn luôn có tổ chức hơn protein trong tơ nhện Araneus cho dù có ướt hay khô. Khi Savage kéo sợi tơ, mức độ tổ chức của tơ nhện Nephila đã hyđrat hóa tăng lên nhiều so với tơ nhện Araneus.

Gosline nhận thấy đặc tính cơ học khác biệt có thể bắt nguồn từ thành phần amino axit của protein trong tơ nhện. Theo ông, amino axit proline đặc trưng với tác động phá vỡ cấu trúc ba chiều của chuỗi protein, do đó chuỗi protein có tỉ lệ proline cao có cấu trúc kém bền hơn so với chuỗi protein có ít hoặc không có proline. Tơ nhện Araneus chứa khoảng 16% proline chủ yếu tại khu vực kết nối trong cấu trúc tinh thể của protein khiến mối nối linh hoạt và thay đổi bất thường. Gosline nhận thấy nếu đúng như thế, tơ bị hyđrat hóa sẽ giống như một dải băng co giãn.

Ngược lại, tơ nhện Nephila có tỉ lệ proline rất thấp tại khu vực kết nối khiến mối nối có cấu trúc tinh thể bền chắc hơn, mang đặc tính giống như một cái lò xo rắn chắc. Gosline và Savage quyết định nghiên cứu độ căng của cả hai loại tơ để tìm hiểu chúng mang đặc tính giống của cao su hay của lò xo.

Kéo tơ hyđrat mẫu, Savage nâng và hạ nhiệt độ từ từ trong khoảng từ 300 C đến 100 C đồng thời cẩn thận đo lực cần thiết nhằm duy trì độ căng. Đối với tơ nhện Nephila, lực duy trì khá ổn định khi nhiệt độ thay đổi cho thấy nó mang đặc tính đàn hồi của lò xo. Còn đối với tơ Areneus chứa nhiều proline, lực lại biến đổi tỉ lệ với nhiệt độ giống như một dải băng cao su. Như vậy tơ nhện nhiều amino axit proline mang đặc tính của cao su, còn tơ nhện có tỉ lệ proline thấp thì giống như một chiếc lò xo rắn chắc.

Sau khi tìm ra tác động đáng ngạc nhiên của amino axit proline đến đặc điểm cơ học của tơ nhện hyđrat hóa, Gosline và Savage tiếp tục tìm hiểu tại sao không thể phân biệt đặc tính của tơ khô và tỉ lệ proline khác nhau mang lại những chức năng nào cho tơ nhện.