Tơ nhện và các ứng dụng của nó trong khoa học và đời sống

Cho đến nay tơ nhện vẫn là một thứ gì đó khiến các nhà khoa học tò mò và đang tìm hiểu thêm các lợi ích của tơ nhện trong đời sống.

Những sự thật hấp dẫn và đan xen về tơ nhện đang là một bí ẩn dần hé mở. Những sợi tơ mềm mượt này có thể bền đến mức dùng làm lưới đánh cá và nhiều thứ khác.

Tơ nhện là gì?

Hầu hết mọi người đều quét sạch mạng nhện và tránh những tổ nhện dày đặc bằng mọi giá nhưng giờ hãy tìm hiểu về lợi ích của chúng.

Tơ nhện là một sợi protein do nhện kéo thành sợi. Loại tơ này là sợi mà nhện sử dụng để dệt lên mạng lưới của chúng. Nó lơ lửng trong không khí và vô cùng nhẹ.

Nhện sử dụng nó để bắt và bẫy con mồi. Đó là cách chúng xây tổ và tạo kén. Chúng thậm chí có thể sử dụng tơ của mình để lướt khỏi những kẻ săn mồi. Khi có nắng hoặc ánh đèn chiếu xuyên qua mạng nhện, bạn có thể nhìn thấy những sợi tơ được đan xen khéo léo như thế nào.

Tất cả các loài nhện đều tạo ra tơ kể cả những loài không dệt mạng nhện

Nhiều người không nhận ra rằng loại “lụa” này cũng được dệt một cách mật thiết trong các nghi lễ giao phối và tán tỉnh của loài nhện.

Tơ hoạt động gần giống như một kênh truyền dẫn hay một chiếc chuông rung gửi tín hiệu qua rung động dọc theo các sợi tơ. Có thể con người và nhện có nhiều điểm chung hơn chúng ta nhận ra. Một sự thật ít được biết đến khác, đó là tất cả các loại tơ nhện không giống nhau.

Một con nhện có thể tạo ra tới 7 loại tơ nhện tự nhiên khác nhau, tùy thuộc vào loài, hoàn cảnh và vòng đời của chúng.

Cụ thể các loại tơ nhện gồm có:

- Tuyến Ampullate chính là tuyến tạo ra tơ kéo của nhện. Đây là loại tơ mà nhện sử dụng ở bên ngoài của mạng nhện. Loại tơ này cực kỳ bền nhưng cũng có thể co lại nhanh chóng tùy thuộc vào các yếu tố.

- Minor Ampullate là tuyến tạo ra tơ mà nhện sử dụng để làm giàn giáo và gia cố tạm thời trong quá trình xây dựng mạng nhện.

- Flagelliform là tuyến mà nhện sử dụng để tạo ra tơ sử dụng cho các đường bắt của mạng nhện. Đây là cái mà các nhà khoa học gọi là "tơ xoắn ốc".

- Tubuliform là tuyến tạo ra tơ kén và trở thành ngôi nhà bảo vệ cho túi trứng.

- Tơ Aciniform là loại tơ mà nhện sử dụng để quấn con mồi còn sống.

- Tuyến Aggregate sản xuất một chất lỏng như tơ tiết ra từ sợi keo được tạo thành từ các hạt cầu dính.

- Tuyến Piriform tạo ra một loại tơ khác giống như keo mà nhện sử dụng để tạo liên kết giữa các sợi tơ riêng biệt khác nhau của chúng và cố định tất cả lại với nhau tại các điểm gắn kết quan trọng.

Nghiên cứu khoa học ứng dụng từ tơ nhện

Tơ nhện có rất nhiều ứng dụng trong khoa học, đặc biệt khi người ta ứng dụng những đặc tính như bền bỉ, đàn hồi của tơ nhện để tạo ra các đồ vật quen thuộc trong đời sống.

Sợi tơ nhện mịn hơn sợi tóc người và cũng là loại sợi dai nhất được tìm thấy trong tự nhiên. Những con nhện có khả năng tạo ra sợi tơ chỉ trong vài giây trong điều kiện môi trường phức tạp.

Cấu trúc của tơ nhện là một mạng lưới rộng lớn bao gồm các thành phần và đặc tính lồng vào nhau. Đặc điểm của tơ bao gồm "glyxin, alanin và một lượng nhỏ serine". Nó là “một polypeptide tự nhiên, protein cao phân tử” cùng nhóm với collagen được tìm thấy trong dây chằng và chất sừng trong móng tay và tóc của con người. Protein tơ nhện sẽ được xác định dựa trên tuyến mà chúng tiết ra.

Đó là "quá trình tự lắp ráp phức tạp của các protein tơ thành các polyme riêng biệt". Những chất tạo màng sinh học này là cơ sở cho các sản phẩm mới. Trình tự axit amin trong protein tơ được tạo thành từ “alanin và glycine” trong khi serine và praline cũng có trong một số loại tơ. Những sợi tơ giàu glycine là thứ tạo cho tơ nhện “tính đàn hồi, tạo thành các vùng vô định hình trong cấu trúc của nó”.

Độ bền kéo là một thuật ngữ mô tả “lượng ứng suất mà một chất có thể chịu được trước khi nó bắt đầu bị đứt gãy”. Độ bền tơ nhện dao động từ 0,45 - 2,0 GPa. Thật bất ngờ khi thép cũng nằm trong cùng một phạm vi với tơ nhện.

Hơn hết tơ là vật liệu mềm và có thể giảm độ dài lên đến gần 60% khi tiếp xúc với độ ẩm cao. Sự xuất hiện này còn được gọi là siêu co. Nó giống như thể chuyển đổi hình dạng từ thủy tinh sang cao su. Một sự biến đổi đáng kinh ngạc.

Tơ nhện khác với tơ tằm như thế nào?

Tất nhiên, nhện không phải là loài côn trùng duy nhất tạo ra tơ. Có những loài khác nổi tiếng với khả năng nhả sợi và đã được con người ứng dụng trong thực tiễn.

Trong số loài được sử dụng, phổ biến nhất là con tằm. Trong khi tơ nhện được gọi là “siêu tơ” thì tơ tằm là một loại tơ được ứng dụng phổ biến trong ngành công nghiệp thời trang. Tằm thực chất là giai đoạn ấu trùng của loài bướm tằm có tên Bombyx mori. Nó ăn lá dâu tằm và không giống như nhện, nó hoàn toàn phụ thuộc vào con người để sinh sản.

Nó là một loài côn trùng trong nước đã được nuôi trồng trong nhiều thiên niên kỷ. Việc nhân giống và nuôi những loài này ít nhất đã có từ 5.000 năm trước, từ thời Trung Quốc cổ đại. Nó có mặt ở Ấn Độ, Hàn Quốc, Nhật Bản, Nepal và tất cả các nước trên thế giới ngày nay. Tơ tằm ngày nay được ứng dụng trong sản xuất may mặc, chỉ khâu phẫu thuật, lốp xe đạp và thậm chí cả ô dù.

Một số nhà khoa học cho rằng tơ tằm có thể bền bỉ như một số loại tơ nhện và loại tơ này có thể thu hoạch bằng quá trình nuôi trồng thích hợp.

Giá trị của tơ nhện là gì?

Tổ tiên con người rất coi trọng giá trị của tơ nhện trong tự nhiên. Nó từng được ứng dụng trong chữa bệnh ví dụ như băng bó vết thương, giăng lưới đánh cá.

Khi xã hội của chúng ta thay đổi, quan niệm về giá trị cũng thay đổi theo. Trong một thế giới ngày càng được thương mại hóa trên quy mô toàn cầu, giá trị vốn có của tơ nhện lại càng đáng lưu tâm. Việc chế tạo "sợi tơ nhện nhân tạo” quy mô lớn đã và đang là mục tiêu chính hàng đầu trong nghiên cứu khoa học vật liệu suốt nhiều thế kỷ qua.

Nghiên cứu này tiếp tục mô tả hai phương pháp chế tạo chính.

Đầu tiên là mô phỏng sinh học, một kỹ thuật sử dụng cho các nhu cầu và mong muốn khác nhau. Các nhà khoa học đang nghiên cứu bắt chước quá trình loài nhện tạo ra siêu sợi của chúng. Công nghệ này bắt chước quy trình tự nhiên trong đó “các protein tơ nhện (spidroins) được sản xuất trong các điều kiện giống như tự nhiên và sau đó kéo thành sợi”. Tuy nhiên cho đến nay những sợi tơ nhện tổng hợp này vẫn chưa phù hợp với tính chất cơ học của tơ nhện.

Phương pháp thứ hai được thực hiện trong phòng thí nghiệm sử dụng công nghệ sinh học tạo ra "các spidroins lớn có thể kéo thành sợi bằng cách sử dụng các dung môi hữu cơ”. Với cách này, các nhà khoa học đã có thể tái tạo thành công các đặc tính cơ học của vật liệu tự nhiên nhưng sản lượng của phương pháp này quá thấp và không thể đảm bảo hoạt động sản xuất quy mô lớn.

Nghiên cứu đang được tiến hành liên quan đến các protein tơ nhện tái tổ hợp và phương pháp dung dịch nước có thể là một phương pháp khả thi.

Cuộc chạy đua cấp bách trong việc tự chế tạo ra tơ nhện

Như chúng ta đã đề cập ở trên, tơ nhện có quá nhiều đặc tính cơ học hữu ích đối với các ý tưởng công nghệ, kinh doanh, sáng tạo. Nó bền hơn cả sợi Kevlar nên tơ nhện được dự đoán có thể thay đổi cuộc chơi trong các ngành công nghiệp dệt may và các mặt hàng thể thao như đồ trượt tuyết, leo núi. Thậm chí các nhà khoa học đã tính đến việc sử dụng tơ nhện để chết tạo các bộ phận có độ bền cao cho robot.

Tơ nhện cũng sẽ đóng góp cho nền y học và khoa học vật liệu, giúp định hình và tái tạo lại ngành công nghiệp dược phẩm và xây dựng. Với những ưu điểm của tơ nhện như vậy, cuộc đua ứng dụng tơ trong đời sống của con người đang dần cấp bách hơn bao giờ hết. Chỉ là xem bao giờ con người mới có thể sản xuất ra tơ nhện nhiều và vô hạn giống như cách loài nhện tạo ra tơ của chúng.