Bùi Minh Nhật
Intern Writer
Khi nói đến việc tạo ra những vật liệu bền, chắc và có khả năng tự điều chỉnh mà không cần đến máy móc hay năng lượng cao, Mẹ Thiên nhiên chính là bậc thầy. Một trong những ví dụ ấn tượng nhất chính là xà cừ lớp chất sáng óng ánh bên trong vỏ trai và là thành phần chính tạo nên vẻ đẹp huyền bí của ngọc trai.
Sử dụng kính hiển vi điện tử, nhóm nghiên cứu đã phát hiện rằng các lớp xà cừ được sắp xếp theo mô hình “gạch và vữa”. Những viên gạch là tinh thể canxi cacbonat, còn lớp vữa là các tấm protein hữu cơ nằm xen kẽ. Đặc biệt, nếu một lớp xà cừ nào đó quá dày hoặc quá mỏng, các lớp tiếp theo sẽ tự động điều chỉnh để đảm bảo hình dạng tổng thể của viên ngọc trai luôn gần như hoàn hảo một dạng tự cân bằng kỳ diệu mà không cần trí thông minh nhân tạo hay bản thiết kế.
Hiện tượng này phản ánh một quy luật toán học có tên là quá trình Markov trong đó mỗi bước tiếp theo không hoàn toàn ngẫu nhiên mà bị ảnh hưởng bởi “quá khứ gần nhất”. Với xà cừ, điều đó có nghĩa là độ dày của lớp mới phụ thuộc vào lớp trước đó, tạo nên sự điều chỉnh liên tục theo thời gian.
Hiểu rõ cấu trúc này, các nhà nghiên cứu đang tìm cách sao chép khả năng tự tổ chức và độ bền của xà cừ vào các vật liệu nhân tạo, như áo giáp, mũ bảo hiểm, hay vật liệu xây dựng. Điều tuyệt vời là thiên nhiên tạo ra xà cừ trong điều kiện bình thường không cần áp suất cao hay nhiệt độ cực đoan. Nếu con người học được cách tạo vật liệu giống như xà cừ, chúng ta có thể sản xuất những vật liệu nhẹ, bền và thân thiện với môi trường hơn rất nhiều.
Tuy nhiên, giáo sư Shenqiang Ren từ Đại học Bang New York cũng cho biết vẫn còn nhiều thách thức. Tái tạo một viên ngọc nhỏ đã khó, để ứng dụng quy mô lớn như áo giáp hay tòa nhà, chúng ta còn cần hiểu rõ các nguyên lý vi mô ẩn sau hiện tượng tưởng chừng đơn giản này. (popularmechanics)
Cấu trúc nano kỳ diệu giúp xà cừ bền hơn cả mong đợi
Điều khiến xà cừ đặc biệt không nằm ở thành phần nó chủ yếu là canxi cacbonat, giống như phấn viết bảng. Nhưng nếu phấn rất dễ vỡ, thì xà cừ lại có độ bền đáng kinh ngạc. Theo giáo sư Robert Hovden từ Đại học Michigan, bí mật nằm ở cấu trúc nano tức là kết cấu cực nhỏ, nhỏ hơn cả bước sóng ánh sáng.Sử dụng kính hiển vi điện tử, nhóm nghiên cứu đã phát hiện rằng các lớp xà cừ được sắp xếp theo mô hình “gạch và vữa”. Những viên gạch là tinh thể canxi cacbonat, còn lớp vữa là các tấm protein hữu cơ nằm xen kẽ. Đặc biệt, nếu một lớp xà cừ nào đó quá dày hoặc quá mỏng, các lớp tiếp theo sẽ tự động điều chỉnh để đảm bảo hình dạng tổng thể của viên ngọc trai luôn gần như hoàn hảo một dạng tự cân bằng kỳ diệu mà không cần trí thông minh nhân tạo hay bản thiết kế.
Hiện tượng này phản ánh một quy luật toán học có tên là quá trình Markov trong đó mỗi bước tiếp theo không hoàn toàn ngẫu nhiên mà bị ảnh hưởng bởi “quá khứ gần nhất”. Với xà cừ, điều đó có nghĩa là độ dày của lớp mới phụ thuộc vào lớp trước đó, tạo nên sự điều chỉnh liên tục theo thời gian.
Ngọc trai cuốn nhật ký thời gian và cảm hứng cho vật liệu tương lai
Không chỉ đẹp, ngọc trai còn lưu giữ dấu ấn thời gian như những vòng gỗ trên cây. Những thay đổi trong môi trường sống như nhiệt độ, mùa hay thậm chí điều kiện nước đều để lại dấu vết trong cấu trúc lớp của ngọc. Điều này giúp các nhà khoa học có thể “đọc” lịch sử hàng trăm năm chỉ từ một viên ngọc.Hiểu rõ cấu trúc này, các nhà nghiên cứu đang tìm cách sao chép khả năng tự tổ chức và độ bền của xà cừ vào các vật liệu nhân tạo, như áo giáp, mũ bảo hiểm, hay vật liệu xây dựng. Điều tuyệt vời là thiên nhiên tạo ra xà cừ trong điều kiện bình thường không cần áp suất cao hay nhiệt độ cực đoan. Nếu con người học được cách tạo vật liệu giống như xà cừ, chúng ta có thể sản xuất những vật liệu nhẹ, bền và thân thiện với môi trường hơn rất nhiều.
Tuy nhiên, giáo sư Shenqiang Ren từ Đại học Bang New York cũng cho biết vẫn còn nhiều thách thức. Tái tạo một viên ngọc nhỏ đã khó, để ứng dụng quy mô lớn như áo giáp hay tòa nhà, chúng ta còn cần hiểu rõ các nguyên lý vi mô ẩn sau hiện tượng tưởng chừng đơn giản này. (popularmechanics)
