Các nhà nghiên cứu đã 'nhái' thành công siêu năng lực của Spider-Man!

Dựa trên khả năng tuyệt vời của các siêu anh hùng trong truyện tranh, nhóm nghiên cứu tại Đại học Tufts đã sáng tạo ra một công nghệ tương tự như tơ của Spider-Man.

Mỗi đứa trẻ yêu thích truyện tranh hoặc phim Spider-Man đều từng tự hỏi cảm giác ra sao khi phóng ra mạng nhện từ cổ tay, lướt qua các tòa nhà cao và đánh bại kẻ xấu. Giờ đây, giấc mơ đó không còn là viễn tưởng, khi các nhà nghiên cứu tại Đại học Tufts đã phát triển công nghệ mang tên web-slinging. Thiết bị độc đáo này có khả năng phun ra chất lỏng từ kim, nhanh chóng đông đặc thành sợi dính, có khả năng nâng vật thể và bám chặt vào bề mặt.

Các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm Silklab của Đại học Tufts đã nghiên cứu và phát triển các sợi dính từ kén tằm. Quá trình bắt đầu bằng việc nấu sôi kén trong dung dịch để tách ra các protein cơ bản, gọi là fibroin. Dung dịch fibroin sau đó được ép qua các kim nhỏ, tiếp xúc với không khí và đông đặc nhanh chóng với sự hỗ trợ của các phụ gia đặc biệt. Phương pháp này gần như tái tạo hoàn hảo quy trình dệt tơ của nhện, mở ra tiềm năng cho những ứng dụng vượt ngoài trí tưởng tượng.

Thiên nhiên chính là nguồn cảm hứng cho nhiều sáng tạo tại Silklab. Nhện, ong, kiến và nhiều loại côn trùng khác có khả năng tạo tơ trong các giai đoạn khác nhau của vòng đời. Dựa vào nguyên lý tự nhiên, các nhà nghiên cứu đã tiên phong trong việc sử dụng tơ tằm để phát triển nhiều sản phẩm công nghệ tiên tiến như keo siêu bám dưới nước, cảm biến in trên mọi bề mặt, lớp phủ ăn được kéo dài tuổi thọ sản phẩm và vật liệu thu ánh sáng nâng cao hiệu suất pin Mặt Trời. Tuy nhiên, việc tạo ra sợi tơ với tính chất vượt trội như của nhện vẫn là một thách thức kỹ thuật lớn.

Thực tế, bước đột phá trong công nghệ này không xuất phát từ phòng thí nghiệm mà từ một sự cố bất ngờ. Marco Lo Presti, trợ lý giáo sư tại Tufts, kể rằng trong quá trình làm sạch đồ thủy tinh bằng acetone cho dự án về chất kết dính, một vật liệu giống mạng nhện đã hình thành dưới đáy kính. Khám phá tình cờ này đã dẫn đến việc phát triển các sợi fibroin đông đặc nhanh chóng khi tiếp xúc với dung môi hữu cơ như acetone hay ethanol, đặc biệt khi có dopamine, chất hỗ trợ kết dính.

Trong dung dịch thông thường, sợi fibroin mất nhiều giờ để hình thành hydrogel bán rắn. Tuy nhiên, với dopamine, quá trình này diễn ra gần như ngay lập tức, cho phép tạo ra các sợi có độ bền kéo và độ bám dính cực kỳ cao. Thêm vào đó, dopamine cùng các polymer của nó được áp dụng theo nguyên lý tương tự như cách mà hà bám chặt vào bề mặt, tạo ra sợi kết dính bền vững.

Cải tiến tiếp theo trong nghiên cứu là tìm khả năng kéo sợi trong không khí. Để đạt được điều này, các nhà khoa học đã thêm dopamine vào dung dịch tơ fibroin, giúp quá trình chuyển từ dạng lỏng sang rắn nhanh hơn. Khi bắn ra từ kim đồng trục, dòng dung dịch tơ mỏng được bao quanh bởi acetone, khiến sợi đông đặc ngay lập tức khi acetone bay hơi. Các sợi này sẽ bám chặt vào bất kỳ bề mặt nào mà chúng chạm vào.

Điều đặc biệt là các sợi fibroin-dopamine được gia cường bằng chitosan — dẫn xuất từ bộ xương ngoài của côn trùng — giúp tăng độ bền kéo lên gấp 200 lần. Thêm vào đó, một lớp đệm borat được bổ sung để tăng độ bám dính lên đến 18 lần. Đường kính của sợi có thể thay đổi từ mỏng như tóc người đến gần nửa milimet, tùy thuộc vào kích thước của lỗ kim.

Trong các thí nghiệm thực tế, thiết bị này có khả năng bắn ra các sợi và nâng vật thể nặng gấp 80 lần trọng lượng của chúng. Các nhà khoa học đã thử nghiệm bằng cách nhặt kén tằm, một bu lông thép, một con dao mổ bị chôn trong cát, và thậm chí một khối gỗ từ khoảng cách 12 cm.

Lo Presti nhấn mạnh rằng trong tự nhiên, nhện không thể bắn mạng nhện mà phải kéo tơ từ tuyến ra. Tuy nhiên, thiết bị của Tufts có thể bắn sợi tơ từ xa và bám vào các vật thể khác, giống như khả năng của siêu anh hùng Người Nhện, biến khoa học viễn tưởng thành hiện thực. Mặc dù tơ nhện tự nhiên vẫn mạnh hơn các sợi nhân tạo trong nghiên cứu này khoảng 1000 lần, nhưng với sự cải tiến liên tục, công nghệ này hứa hẹn nhiều ứng dụng tiềm năng.

Fiorenzo Omenetto, Giáo sư Kỹ thuật tại Đại học Tufts và giám đốc Silklab, cho biết: "Là nhà khoa học, chúng tôi luôn ở giữa ranh giới của trí tưởng tượng và thực tế, nơi những điều kỳ diệu xảy ra." Thiên nhiên và truyện tranh đã truyền cảm hứng cho họ trong việc phát triển công nghệ này, chứng minh rằng khoa học có thể hiện thực hóa những giấc mơ của siêu anh hùng.

Từ đây, không chỉ có khả năng bắn tơ nhện mà còn là sự kết hợp giữa khoa học và công nghệ, biến những điều tưởng như không thể thành hiện thực. Công nghệ web-slinging không chỉ là một bước tiến lớn trong khoa học vật liệu mà còn là cầu nối đưa con người đến gần hơn với thế giới của những anh hùng.