Mỗi đứa trẻ từng mê mẩn truyện tranh hay những bộ phim Spider-Man (Người Nhện) đều ít nhất một lần tự hỏi cảm giác sẽ như thế nào khi bắn ra mạng nhện từ cổ tay, lướt qua những tòa nhà cao tầng và đánh bại kẻ xấu. Tưởng tượng đó giờ không còn là viễn tưởng, khi các nhà nghiên cứu tại Đại học Tufts đã phát triển một loại công nghệ mang tên web-slinging. Thiết bị độc đáo này có thể bắn ra một chất lỏng từ kim, ngay lập tức đông đặc thành sợi dính, có khả năng nâng vật thể và bám chặt vào bề mặt.
Vật liệu sáng tạo này có thể bắn từ một thiết bị, đông đặc giữa không trung và bám dính chặt vào các vật thể, thể hiện tiềm năng nâng các vật nặng hơn đáng kể so với chính nó và mở đường cho các ứng dụng công nghệ đa dạng.
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 đun sôi kén trong dung dịch để tách chúng thành các protein cơ bản, gọi là fibroin. Dung dịch fibroin sau đó được ép qua các kim nhỏ hẹp, tiếp xúc với không khí và nhanh chóng đông đặc thành sợi với sự hỗ trợ của các phụ gia đặc biệt. Phương pháp này tái tạo gần như hoàn hảo quá trình nhện dệt tơ, 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 loài côn trùng khác đều có khả năng tạo tơ ở các giai đoạn khác nhau của vòng đời. Dựa trên nguyên lý của tự nhiên, các nhà khoa học đã tiên phong trong việc sử dụng tơ tằm để phát triển nhiều sản phẩm công nghệ tiên tiến như keo siêu bám hoạt động dưới nước, cảm biến có thể 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, tạo ra một sợi tơ có tính chất vượt trội như của nhện vẫn là thách thức kỹ thuật lớn.
Các sợi có thể kéo được các vật thể hơn 80 lần trọng lượng của chúng trong các điều kiện khác nhau.
Trên thực tế, sự đột phá của công nghệ này không phải từ phòng thí nghiệm, mà từ một tình huống bất ngờ. Marco Lo Presti, trợ lý giáo sư nghiên cứu tại Tufts, kể lại rằng trong khi anh đang làm sạch đồ thủy tinh của mình bằng acetone trong một dự án về chất kết dính, một vật liệu giống như mạng nhện đã hình thành dưới đáy kính. Khám phá tình cờ này dẫn đến việc phát triển các sợi fibroin nhanh chóng đông đặc khi tiếp xúc với dung môi hữu cơ như acetone hay ethanol, đặc biệt với sự có mặt của dopamine, một chất hỗ trợ quá trình kết dính.
Sợi fibroin trong dung dịch thông thường sẽ mất nhiều giờ để tạo thành hydrogel bán rắn. Nhưng 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 cao. Bên cạnh đó, dopamine và các polyme của nó đã được sử dụng theo nguyên lý tương tự như cách mà hà bám chặt vào các bề mặt, từ đó tạo ra sợi kết dính bền vững.
Theo đó, sự cải tiến tiếp theo trong nghiên cứu là tìm ra khả năng kéo các sợi trong không khí. Để đạt được điều này, các nhà khoa học đã bổ sung dopamine vào dung dịch tơ fibroin, giúp đẩy nhanh quá trình chuyển từ dạng lỏng sang rắn. Khi được bắn ra từ kim đồng trục, một dòng dung dịch tơ mỏng được bao quanh bởi acetone, khiến sợi nhanh chóng đông đặc khi acetone bay hơi giữa không trung. Các sợi này bám chặt vào bất kỳ bề mặt nào mà chúng chạm vào.
Điều đặc biệt ở đây là các sợi fibroin-dopamine này được gia cường bằng chitosan—một dẫn xuất từ bộ xương ngoài của côn trùng—giúp tăng độ bền kéo lên gấp 200 lần. Ngoài ra, một lớp đệm borat được thêm vào để tăng độ bám dính lên đến 18 lần. Đường kính của sợi có thể thay đổi từ mỏng như sợi tóc người cho đến gần nửa milimet, phụ thuộc vào độ rộng của lỗ kim.
Trong các thí nghiệm thực tế, thiết bị này có thể bắn ra các sợi và nâng các vật thể nặng hơn gấp 80 lần trọng lượng của chúng. Các nhà khoa học đã thử nghiệm bằng cách nhặt một kén tằm, một bu lông thép, một con dao mổ bị chôn trong cát, và thậm chí là một khối gỗ từ khoảng cách 12 cm.
Lo Presti nhấn mạnh rằng trong tự nhiên, nhện không thể bắn mạng nhện của chúng mà phải kéo tơ từ tuyến ra. Tuy nhiên, thiết bị của Tufts lại có thể bắn ra sợi tơ từ khoảng cách xa và bám vào các vật thể khác. Điều này giống như sự tái hiện lại khả năng của siêu anh hùng Người Nhện, biến khoa học viễn tưởng thành hiện thực. Dù tơ nhện tự nhiên vẫn mạnh hơn các sợi nhân tạo trong nghiên cứu này khoảng 1000 lần, nhưng với sự cải tiến không ngừng, công nghệ này sẽ mở ra những ứng dụng vô cùng tiềm năng.
Fiorenzo Omenetto, Giáo sư Kỹ thuật tại Đại học Tufts và giám đốc Silklab, chia sẻ rằng: "Là nhà khoa học, chúng tôi luôn đứng giữa ranh giới của trí tưởng tượng và thực tế, và đó chính là 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 cả những giấc mơ của siêu anh hùng.
Từ đây, không chỉ là khả năng bắn tơ nhện mà còn là sự kết hợp giữa khoa học và công nghệ để biến những điều tưởng chừng như không thể thành có thể. Công nghệ web-slinging không chỉ là bước tiến lớn trong khoa học vật liệu mà còn là cầu nối đưa con người tiến gần hơn đến thế giới của những anh hùng.
Đức Khương
