Loại tơ kỳ lạ: tại sao nhện không bị quay tròn mất kiểm soát khi ở tư thế treo mình

Tơ từ loài nhện có tên golden orb weaver triệt tiêu năng lượng để tránh sự quay tròn
Những nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng tơ nhện khác với tóc người, dây kim loại hay sợi tổng hợp là chúng sẽ cong một phần khi xoắn. Đặc điểm này sẽ giúp sợi tơ giải phóng năng lượng một cách nhanh chóng, để con nhện không bị quay tròn ở điểm cuối của sợi tơ. Trong tương lai, các ứng dụng tạo ra các sợi sinh học dùng thay thế cho dây đàn violin, thang dây của trực thăng hay dây thừng dù lượn có thể dựa trên việc tìm hiểu tính kháng quay tròn của tơ nhện.

Hình 1.
Nhện golden silk orb weaver (Nephila pilipes) tạo ra tơ kéo ngăn cản sự quay tròn khi treo mình
Credit: Kai Peng of Huazhong University of Science and Technology

Lần cuối cùng chúng ta quan sát một con nhện lao từ trần nhà xuống trên một sợi tơ, đó là khi nó từ từ lao xuống một cách nhẹ nhàng mà không bị quay tròn kiểu xoắn ốc mất kiểm soát, vì tơ nhện có một khả năng khác thường có thể giúp chúng kháng lại lực xoắn.

Trong một bài viết của Applied Physics Letters ra mắt tuần này, xuất bản bởi AIP Publishing, các nhà nghiên cứu đến từ Trung Quốc và Vương quốc Anh đã cho chúng ta thấy rằng không giống như tóc ở người, dây kim loại hay sợi tổng hợp, tơ nhện cong một phần khi xoắn. Đặc tính này giúp giải phóng hết năng lượng để tránh sự quay tròn.

“Tơ nhện rất khác biệt so với các vật liệu thông thường khác”, Dabiao từ đại học khoa học và kỹ thuật Huazhong đã nói.

Tìm hiểu rõ ràng hơn về cách tơ nhện chống lại sự quay tròn có thể đưa đến việc tạo ra các sợi sinh học bắt chước theo các đặc tính đó và sẽ trở nên tiềm năng trong việc ứng dụng để thay thế dây đàn violin, thang dây của trực thăng và dây dù lượn. David Dunstan, đại học Queen Mary ở London, đã phát biểu: “Nếu chúng ta hiểu rõ bằng cách nào tơ nhện làm được điều đó, thì chúng ta có thể kết hợp các đặc tính lại để cho ra đời một loại dây thừng tổng hợp mới”

Nhện sử dụng tơ để tạo thành một viền ngoài và các nan giống như một cái bánh xe, và như là một sợi dây cáp an toàn để đu xuống mặt đất. Vật liệu này kích thích sự tò mò của nhà khoa học vì sức mạnh, sức co giãn và khả năng chịu nhiệt đáng kinh ngạc của nó, nhưng trong đó, có một nghiên cứu nhỏ tập trung vào tính xoắn – bằng cách nào tơ nhện đáp ứng lại sự xoắn ốc.

Các nhà nghiên cứu sử dụng một con lắc lò xo, con lắc này trước đây được dùng bởi Henry Cavendish để đo khối lượng Trái Đất trong những năm 1970, để thử nghiệm nhanh tơ từ 2 loài nhện Golden Orb Weaver. Họ đã thu thập các sợi tơ từ các con nhện được nuôi rồi treo lơ lửng chúng trong một một ống hình trụ và sử dụng 2 vòng đệm để giả làm 2 con nhện. Ống hình trụ cách ly sợi tơ với các tác động ngoài môi trường và giữ cho nó trong một độ ẩm cố định, bởi vì nước có thể làm sợi tơ co rút lại. Một đĩa quay hình tròn sẽ xoắn sợi tơ lại trong khi một máy quay phim tốc độ cao sẽ ghi lại chuyển động về phía trước và sau của sợi tơ qua hàng tram chu kỳ dao động.

Không giống như sợi tổng hợp hay kim loại, tơ nhện biến dạng ít khi chịu lực xoắn, bởi nó đã giải phóng hơn 75% thế năng và dao động chậm đi nhanh chóng. Sau khi xoắn, một phần tơ cong lại.

Nhóm nghiêm cứu phỏng đoán rằng sự bất thường này liên quan đến cấu trúc vật lý phức tạp của sợi tơ, cấu trúc này có một lõi gồm vô số sợi nhỏ bên trong một lớp màng. Mỗi sợi nhỏ này có những chuỗi amino acid cấu trúc dạng phiến hoặc một số là chuỗi vòng không có cấu trúc xác định. Họ đề xuất rằng lực xoắn ốc làm cho dạng phiến chuyển sang dạng thẳng giống như vật đàn hồi và làm hư hỏng cầu nối hydrogen liên kết giữa các chuỗi trong phiển, dẫn đến bị biến dạng như nhựa. Dạng phiến có thể được phục hồi về như ban đầu nhưng các chuỗi vẫn bị biến dạng một phần. Con lắc cho ta thấy được sự biến đổi đó bằng việc giảm cường độ dao động của sợi tơ cũng như thay đổi điểm cân bằng của dao động.

Nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục tìm hểu làm thế nào tơ nhện phản ứng lại sự xoắn cũng như làm sao nó duy trì tính bền chắc trong suốt quá trình xoắn ốc, ảnh hưởng mà độ ẩm mang lại và mức không khí nào giúp giải phóng năng lượng hiệu quả. Dunstan nói: “Vẫn còn nhiều việc phải làm phía trước. Tơ của loài nhện này đã cho thấy một đặc tính thú vị mà chúng ta đơn giản là không thể nào biết cách để tự tạo ra được”

Hoài Thu
Huazhong University of Science and Technology