Phát minh khoa học từ bắt chước thiên nhiên - P2

12/4/2015

PHÁT MINH KHOA HỌC TỪ BẮT CHƯỚC THIÊN NHIÊN

II. BẮT CHƯỚC THỰC VẬT

Trần-Đăng Hồng, PhD

Các nhà khoa học đã từ lâu bắt chước cấu tạo các alkaloids thiên nhiên trong thực vật để chế tạo thuốc trị bịnh. Trong bài ngắn ngủi này, tác giả chỉ đề cập vài bắt chước nho nhỏ từ cây cối nhưng có áp dụng rất thực tiễn.

1. BẮT CHƯỚC CÂY LEO IVY

Hình 1. Cây leo Ivy tiết chất keo

Con cắc kè leo tường hay trần nhà nhờ cấu trúc đặc biệt của bàn chân, thì loại cây leo như Ivy dính chặt vào tường nhờ một loại keo thiên nhiên có sức chịu đựng tương đương tới 2 triệu lần trọng lượng của dây leo. Đó là một chất keo dính mạnh nhất trong thiên nhiên.

TS Mingjun Zhang, thuộc đại học Ohio State University (Columbus), nghiên cứu chất keo tiết từ cây Ivy để chế tạo một loại keo áp dụng cho ngành phẫu thuật.

Ông cho biết cây Ivy tiết ra một loại chất loảng màu vàng cấu tạo bởi nước, polysaccarides và vi thể hữu cơ có đường kính khoảng 70 phần tỉ của mét. Vi thể có nhiệm vụ làm giảm độ nhờn (viscosity) và giúp chất loảng dàn rộng diện tích tiếp xúc. Các vi thể cũng tạo cầu nối phân tử với polymer trong chất keo, làm chất keo rất mạnh, có tính đàn hồi, không cứng và dòn, khác với keo thông thường khi khô. Vì vậy loại keo do ivy tiết ra sẽ có nhiều áp dụng quan trọng. Chẳng hạn, làm miếng băng có chất keo ivy để băng bó, giúp vết thương mau lành, tế bào mau sinh sản, giúp ngành giải phẫu cơ quan như tim mau hàn gắn, hay ngay cả giúp tế bào gốc mau phát triển.

Ngoài ra, vi thể ivy có thể áp dụng vào thiết kế màng lọc ánh sáng thay thế oxide titanium hay oxide kẽm như kỹ thuật hiện tại bởi vì kích thước vi thể ivy đồng nhất nên ánh sáng phân tán đồng đều, và ngăn cản được tia cực tím (ultra violet). TS Zhang tổng hợp vi thể với nhiều hợp chất polymer, và tạo được nhiều loại keo nhân tạo tương tự keo thiên nhiên ivy.

2. BẮT CHƯỚC TRÁI THÔNG

Hình 2. Kiến trúc vảy trên trái thông. Hạt chứa trong vảy.

Bài sinh học về cơ chế trái thông phóng thích hột khi cháy rừng cho biết vảy trái thông Pinus attenuate chỉ mở để hạt thông văng ra khỏi trái khi gặp nhiệt độ thật nóng lúc cháy rừng.

Vảy trái thông cấu tạo bởi 2 lớp, có phản ứng khác nhau với biến đổi của ẩm độ không khí. Một lớp giản nở khi trời ẩm ướt, còn lớp kia thì chống lại việc giản nở, kết quả là vảy trái thông uốn cong. Cơ chế này tương tự như như nhiệt kế cấu tạo bởi 2 kim loại có độ giản nở khác nhau khi có biến đổi nhiệt độ.

Hình 3. Kiến trúc và cách xấp xếp vảy trái thông

Với loại vải thông thường, khi đổ mồ hôi vải thấm nước và áo ướt đẫm, nhất ở những nơi có mồ hôi đổ sớm và nhiều như ở nách. Và hể áo càng ướt, thì áo càng không thông thoáng, bên trong áo càng ẩm, đổ mồ hôi càng nhiều, người bận áo cảm thấy khó chịu, nên phải cởi áo, ở trần. Để tránh hiện tượng trên, các nhà khoa học sáng chế một loại vải giúp không khí thông thoáng đuổi ẩm độ tích tụ bên trong áo ra ngoài, đưa không khí mát ở ngoài vào trong, nhờ vậy áo không bị ướt đẫm mồ hôi.

Dựa vào cơ chế đóng mở của vảy thông theo ẩm độ, các nhà khoa học sáng chế một loại vải có khả năng thực hiện công tác trên. Hảng sản xuất vải MMT London chế tạo loại vải có gai li ti làm nắp đậy các lỗ nhỏ li ti thông thoáng không khí. Các gai này cấu tạo bởi 2 loại polymer nhân tạo, một loại hảo nước (hydroscopic) tức hút ẩm hơi nước, loại kia thì khắc nước (hydrophobic) tức đẩy hơi nước ra xa. Lực hút và lực đẩy hơi nước biến đổi nghịch chiều tùy theo lượng hơi nước của không khí bên trong áo làm sợi gai uốn cong hay phẳng.

Khi không khí khô ráo, các gai trở nên phẳng, nằm rạp, đóng lỗ hở, ngăn cản sự thông thoáng, và áo trở thành cách nhiệt. Khi đổ mồ hôi, ẩm độ bên trong áo gia tăng làm sợi gai uốn cong, lỗ thông thoáng được mở, xua đuổi ẩm độ ra ngoài, không tạo được mồ hôi trên thân thể (Hình 4). Loại vải này sẽ được bán trên thị trường vào năm 2016.

Hình 4. Cơ chế loại vải có vảy đóng mở tùy theo ẩm độ không khí

Cũng áp dụng cơ chế đóng mở vảy của trái thông, hảng tơ sợi Schoeller của Thụy Sỉ tạo loại vải có tên “c-change”. Loại vải này có lỗ li ti đóng mở tùy theo nhiệt độ. Chẳng hạn khi thân nhiệt cao, hay sắp đổ mồ hôi thì các lỗ hổng mởrộng để xua đuổi hơi nóng và hơi nước ra ngoài.

3. BẮT CHƯỚC LÁ SEN

Hình 5. Lá sen luôn luôn sạch và đọng nước

Ai cũng biết là tưới nước lên lá sen (Nelumbo spp.), lá không dính nước mà chảy tuột hết và lôi cuốn theo hết chất dơ dính trên lá. Sau trận mưa lá sen luôn luôn sạch, không có bụi bặm hay chất dơ. Lý do là mặt lá sen có trải một lớp sáp có tác dụng đẩy nước (water repellent). Lớp sáp được xấp xếp thành gai li ti mắt thường không thấy, nhưng khi rờ thấy nhám.

Hình 6. Cấu tạo lớp sáp trên lá sen với các gai li ti

Chỗ gồ ghề của gai là nơi nước ít tiếp xúc với lá, nên nước bị phân tán tạo thành nhiều giọt nước tròn nhỏ và lăn ra khỏi lá.

Hình 7. Trên mặt sáp nước phân tán thành giọt nước hình cầu lăng tròn

Bắt chước kiến trúc sáp trên lá sen, các nhà khoa học tìm cách chế tạo một loại vải không dính nước, và rất sạch sẻ vì không dính chất dơ bẩn, bụi bặm và ngay cả vi trùng. Tất cả trôi tuột theo nước.

Thông thường, khi nước rơi vào một mặt có tính khắc nước (hydrophobic), nước tung tóe và kết hợp lại thành nhiều giọt nước hình cầu nhỏ. Trên lá sen, thời gian thành lập các giọt nước tròn nhỏ là 12,4 phần triệu của giây. Hể thời gian thành lập càng ngắn thì giọt nước càng nhỏ. Thí nghiệm với gai li ti nhân tạo cấu tạo bởi aluminium (nhôm) có chiều cao 100 phần triệu của mét (micrometres, μm), rộng 200 μm, tráng lên vải thì thời gian kết đọng thành giọt nước là 7,8 phần triệu giây, giọt nước nhỏ như sương mù.

Bắt chước lá sen, các kỷ sư chế tạo được loại vải không thấm nước, không vấy chất dơ hay chất có màu. Chẳng hạn vẩy máu hay mực lên áo, tất cả chảy tuột và áo không dính tí vết nào của máu hay mực.

4. BẮT CHƯỚC CÂY BẮT ĂN CÔN TRÙNG

Tại các xứ nóng có nhiều loại cây có bộ phận bắt côn trùng để lấy chất bổ dưỡng nuôi cây. Trong các loài này, loài Nepenthes có bộ máy bắt mồi với hình dạng của một bình chứa một dung dịch làm hòa tan thân thể con mồi. Vách bên trong bình là một lớp sáp rất nhờn. Một khi con mồi đậu lên miệng bình thì bị trợt té vào bình, và khi ở trong bình thì không cách nào trèo ra khỏi bình vì trơn trợt.

Hình 8. Con thằn lằn con trợt chân rớt vào bình mà không có cách nào trèo ra được vì chất nhờn trơn trợt

Dựa trên cấu tạo của chất nhờn trong vách bình Nepenthes, hảng Slips Technology ở Massachusetts Hoa Kỳ chế tạo một chất siêu nhờn để tráng vào vải, nhựa và da. Đặc tính loại vải này không thấm nước, và bùn, đất, hay vật thể li ti không dính vào được. Chẳng hạn chế tạo giày, giày lội nước, quần áo thể thao, áo mưa, áo khoác cho quân đội và áo khoác cho công nhân làm việc trong nhà thương, v.v.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Julie Gould (2015). Learning from nature’s best. Nature, 519, 26 March 2015, S2-S3.Volume:

Katherine Bourzac (2015). Spiders: Web of intrigue, Nature, Volume:519, S4–S6.

Neil Savage (2015). Synthetic coatings: Super surfaces. Nature, 519, S7–S9.

Elie Dolgin (2015). Textiles: Fabrics of life. Nature, Volume:519, S10–S11.

Li Wen, James C, Weaver & George V. Lauder. (2014). Biomimetic shark skin: design, fabrication and hydrodynamic function. Journal of Experimental Biology, 217, 1656-1666.

Reading, 4/2015