Những con cầu gai thúc đẩy ý tưởng cho các vật liệu nhẹ

Các nhà nghiên cứu tại Khoa Hóa học của Đại học Copenhagen, Đan Mạch đã tìm thấy một mô hình cho vật liệu mạnh mẽ, nhẹ bằng cách lặn dưới mặt nước biển để điều tra một loài có họ với cầu gai (nhím biển) được biết đến với tên gọi là cầu gai tim.

Dirk Müter là một trợ lý giáo sư của nhóm nghiên cứu NanoGeoScience (nghiên cứu về hiện tượng có kích thước nano liên quan đến các hệ thống địa chất) thuộc Khoa Hóa học. Ông đứng đầu dự án hiện được công bố trong Acta Biomaterialia dưới tiêu đề "Cấu trúc vi mô và cơ chế vi mô của thử nghiệm cầu gai tim từ chụp cắt lớp bằng tia X".

Cầu gai tim (Echinocardium cordatum), còn được gọi là khoai tây biển, có đường kính lên đến 5 cm, có hình dạng trái tim và đào hang trong cát. Chúng mở rộng một kênh để nuôi dưỡng các hạt hữu cơ từ các vùng nước bên trên hang của chúng.

Cũng giống như những con cầu gai “bình thường”, những con cầu gai tim "bất thường" này là những sinh vật mềm sử dụng khung xương canxi cacbonat của chúng để bảo vệ các cơ quan khác của chúng khỏi sự tấn công của kẻ thù. Và chỉ trong chốc lát, vỏ của chúng bất ngờ trở nên mạnh mẽ.

Ý tưởng để nghiên cứu vỏ cầu gai tim xuất hiện trong một lần Müter đang đi dạo trên bãi biển Croatia. Những chiếc vỏ mỏng như giấy của cầu gai tim được sóng cuốn lên trên bãi biển, và Müter quan sát thấy rằng chúng chỉ có rất ít khiếm khuyết đáng kinh ngạch mặc dù rất mỏng.

Để hiểu được những vỏ canxi cacbonat mạnh mẽ như thế nào, Müter và các đồng nghiệp đã sử dụng một công nghệ tương đối mới gọi là microtomography X quang. Kỹ thuật này được sử dụng để tạo ra hình ảnh ba chiều bên trong vật liệu, mà không cần phải phá vỡ thành các mảnh vỏ. Các hình ảnh tia X rất tốt đễn mức ta có thể phân biệt được cấu trúc của ít hơn một phần ngàn milimet. Kỹ thuật cực kỳ ưu việt này đã mở ra khả năng để hiểu được sức mạnh của vỏ cầu gai biển.

Nếu ai đã từng bẻ gãy một mẩu phấn đều biết rằng canxi cacbonat rất mỏng manh. Và, vỏ cầu gai tim chứa nhiều không khi hơn so với phấn. Trong thực tế, khi một ai đó tiến đến gần vỏ cầu gai tim, nó bắt đầu trở nên giống như nước bọt xà phòng. Chất liệu này bao gồm một số lượng đáng kinh ngạc các lỗ cực nhỏ gắn với nhau bằng các thanh giằng cacbonat canxi mảnh mai (như ở phấn). Có khoảng 50.000 và 150.000 thanh giằng trên mỗi mm khối, và trong một số lĩnh vực, vật liệu này bao gồm lên đến 70% không khí.

Calcium carbonate có thể có trong nhiều thứ, từ đá cẩm thạch cứng chắc đến phấn mềm và hơi giòn mà chúng ta sử dụng để viết. Trong khi vỏ cầu gai tìm và phấn viến có một độ xốp tương tự nhau, vỏ nhím cứng hơn đến sáu lần so với phấn viết. Các nghiên cứu của Müter chứng minh rằng vỏ cầu gai tim có một cấu trúc đạt gần tới một lý thuyết lý tưởng cho sức mạnh cấu trúc bọt – điều cần có cho một sinh vật đã tiến hóa để chịu được cuộc sống dưới 10 mét nước và thêm 30 cm cát. Müter giải thích độ cứng đáng ngạc nhiên của vỏ cầu gai tim khác nhau giữa các vùng vỏ do nồng độ nhiều hay ít của các lỗ trong các vùng cụ thể, không phải do thanh giằng mỏng hay dày hơn.

"Chúng tôi tìm thấy một ví dụ về một nguyên tắc xây dựng đơn giản đáng ngạc nhiên. Đây là một cách dễ dàng để xây dựng các vật liệu. Nó cho phép sự thay đổi lớn trong cấu trúc và sức mạnh. Và, nó rất gần với sự tối ưu từ một quan điểm cơ khí", trợ lý Giáo sư Dirk Müter cho biết.

Müter và các đồng nghiệp của ông trong nhóm NanoGeoScience hy vọng rằng những hiểu biết mới của họ sẽ phục vụ việc cải thiện các vật liệu thấm hút yếu trong số các kết quả khác.

Theo Bộ NN&PTNN