Con thạch sùng

[black_justtry]

CON THẠCH SÙNG
​

Thằn lằn (Thạch sùng) có thể đi trên hầu hết bề mặt của tất cả mọi vật liệu, từ gỗ đá đến thủy tinh, từ mặt phẳng đến mặt lồi lõm, từ mặt đầy bụi đến sạch bóng, ướt đến khô, mềm đến cứng. Có phải chăng bàn chân thằn lằn có một chất keo "toàn năng" lúc dính lúc không cho sinh vật này khả năng đi lại đặc biệt mà không chịu ảnh hưởng lực hút của quả đất?

Lật bàn chân của con thằn lằn ta thấy những lá mỏng vắt ngang (Hình 1B). Dưới kính hiển vi điện tử, khi phóng đại vài trăm nghìn lần, người ta không tìm thấy chất keo gì đặc biệt cả. Nhưng người ta thấy những lá mỏng của bàn chân thằn lằn có một cấu trúc rất đặc biệt giống như bàn chải đánh răng với những cụm lông được sắp xếp với một thứ tự ngang dọc rất chính xác. Ở một độ phóng đại to hơn, người ta thấy ở đầu mỗi sợi lông tua ra những sợi lông con có hình dạng như cây chổi quét nhà (Hình 1D). Bốn bàn chân có tất cả 6,5 triệu lông con. Chiều dài của sợi lông con này là 200 nm và đường kính là 10 - 15 nm (nhỏ hơn sợi tóc 7000 lần). Đây là một cấu trúc nano thật hoàn bị của thiên nhiên được tạo thành từ một loại protein gọi là keratin. Keratin cũng là thành phần chính trong vảy rắn, mu rùa, mỏ chim.

View attachment 9000

Hình 1: (A) Con thằn lằn Tokay; (B) những lá mỏng vắt ngang bàn chân nhìn từ dưới lên; (C) lá mỏng là những cụm lông có thứ tự hình bàn chải đánh răng; (D) sợi lông chính tua ra những sợi lông con có hình dạng như cây chổi quét nhà; (E) những sợi lông con và (F) cấu trúc sợi nano nhân tạo [1].
​

Lực hút van der Waals

Mặc dù cấu tạo bàn chân của các loại thằn lằn được biết rất rõ trong sinh học và động vật học, nhưng cơ chế bám dính vẫn còn khó nắm bắt. Gần 200 năm qua, đã có 7 cơ chế được đề nghị: bám dính do keo, sức hút (suction), ma xát, cài vào nhau (interlocking), tĩnh điện, lực mao quản và lực hút van der Waals [1]. Năm đề nghị đầu tiên không có sức thuyết phục vì bàn chân không tiết ra chất keo; cấu tạo vi mô không cho thấy dấu hiệu nào tạo ra sức hút hay lực ma xát; ngón chân không có móc nên không thể cài vào mặt nền; có thể đi trên các loại mặt bằng có hay không có tĩnh điện. Như vậy, hai khả năng còn lại là lực mao quản và lực hút van der Waals.

Tiến sĩ Kellar Autumn (Lewis & Clark College, Mỹ) giải mã được bài toán thiên nhiên hiểm hóc này. Trong một kỳ nghỉ với gia đình tại Hawaii, trong phòng một khách sạn ông bỗng nhiên thấy một con nhện thật to xuất hiện trên trần nhà, khi ông loay hoay tìm cách xử lý vị khách không mời này thì một chú thạch sùng con lặng lẽ đi tới, hai sinh vật này cùng lộn đầu giao chiến trên trần nhà. Cuối cùng, thạch sùng loại nhện ra khỏi vòng chiến, con nhện rớt xuống đất và lủi đi mất... Chiến thắng của thạch sùng là nhờ có bốn bàn chân "đứng tấn" vững vàng. Là một người có học vị về toán và sinh học, nhìn tính bám dính của bàn chân thạch sùng trong trận giao tranh ông chia sẻ nổi băn khoăn của Aristotle hai ngàn năm trước. Khi trở lại phòng nghiên cứu, ông bắt đầu tìm hiểu về nguốc gốc tính bám dính của các ngón chân thằn lằn. Sau một loạt thí nghiệm dùng các loại mặt thích nước (hydrophilic) và ghét nước (hydrophobic) [2], ông và các cộng sự viên loại trừ khả năng lực mao quản và xác nhận rằng sự bám dính của bàn chân thằn lằn là do sức hút van der Waals. Năm 2000, Autumn tuyên bố kết quả nghiên cứu trong một bài báo với tựa đề "Adhesive force of a single gecko foot-hair" (Lực dính của một sợi lông bàn chân con thằn lằn) đăng trên tạp chí khoa học nổi tiếng Nature [3]. Bài báo lập tức mở màn cho nhiều đề án nghiên cứu tương tự liên nghành vật lý, hóa học, tự động học, robot học, sinh học, động vật học trong các viện nghiên cứu và đại học trên toàn thế giới. Qua bài báo này lần đầu tiên ông và các cộng sự viên đã phá tan những luận điểm mơ hồ về cơ chế bám dính của bàn chân thằn lằn, xác nhận và chứng minh bằng thực nghiệm sự bám dính là do lực hút van der Waals [1]. Tuy nhiên, giáo sư Andre Geim (University of Manchester, Anh) vẫn tin rằng ở thứ nguyên nano lực mao quản cũng có dự phần trong cơ chế bám dính.

Lực hút van der Waals là một lực liên phân tử (intermolecular force). Trong các phân tử, điện tử thường không phân tán đồng đều gây ra sự phân cực điện. Nếu ta hình dung phân tử như một hạt gạo thì một đầu mang điện tích dương, đầu kia điện tích âm (như cục nam châm có hai đầu nam và bắc). Trong tập hợp nhiều phân tử, đầu dương của phân tử này sẽ hút đầu âm của phân tử kế cận. Đó là lực van der Waals. Nó chi phối cấu trúc tinh thể, độ nóng chảy, độ bay hơi và sự ngưng tụ của nhiều hợp chất hoá học. Trong cuộc sống hằng ngày, ta ít thấy những thí dụ thể hiện lực hút van der Waals vì lực rất yếu. Tuy nhiên, nếu ta ép hai mảnh thủy tinh có mặt rất phẳng vào nhau, ta cần một sức để cạy rời hai mảnh thủy tinh. Sự hút vào nhau của hai mảnh thủy tinh là biểu hiện của lực van der Waals. Nếu hai mảnh thủy tinh thật phẳng thì mặt tiếp xúc càng to, lực càng mạnh hơn. Nhưng trên thực tế chúng ta không có một mặt phẳng nào "cực phẳng" ở một mức độ lý tưởng. Theo lý thuyết, lực van der Waals tỷ lệ nghịch với khoảng cách theo lũy thừa 7. Đây là lực có tầm cực ngắn (short range). Nói một cách dễ hiểu hơn, sự gia giảm của lực hút cực kỳ nhạy với khoảng cách, nếu ta đặt hai mặt phẳng xa gấp đôi thì lực giảm đi 128 lần (= 2x2x2x2x2x2x2). Sự lồi lõm ở một vài micromét (100 lần nhỏ hơn sợi tóc) tạo ra kẽ hở giữa hai mặt phẳng cũng đủ làm triệt tiêu lực van der Waals. Đó là lý do tại sao ta không nhìn thấy lực van der Waals trong sinh hoạt hằng ngày.

Tạo ra một mặt siêu phẳng là một việc bất khả thi. Nhưng nếu bề mặt được cải biến thành một bề mặt có cấu trúc sợi nano, diện tích tiếp xúc sẽ gia tăng hàng triệu hàng tỷ lần. Lực hút van der Waals cũng tăng theo diện tích tiếp xúc đưa ra khái niệm mới về sự bám dính: sự bám dính khô (dry adhesion). Ta hãy nhìn lại bàn chân thạch sùng. Hình 2 cho thấy những sợi lông con với đường kính ở thứ nguyên nano (10 - 15 nm) bám sát vào bề mặt cực kỳ hiệu quả. Kích thước 10 - 15 nm là chiều dày của 10 đến 15 phân tử. Cái "bám sát cực kỳ hiệu quả" hàm ý một hiện tượng chỉ xảy ra ở thế giới phân tử. Nhưng "sát" đến bao nhiêu thì mới thấy sự hiệu quả? Người ta biết lực hút van der Waals chỉ xuất hiện giữa hai vật thể khi được đặt "sát" ở khoảng cách nanomét. Trong trường hợp bàn chân thằn lằn, để tạo một lực bám hữu hiệu khoảng cách giữa các sợi lông con và mặt nền nhiều nhất là 2 nm, tương đương với kích thước của 2 phân tử. Trên 2 nm, lực van der Waals biến mất.

View attachment 9004

Hình 2: Cấu trúc với nhiều thứ bậc của sợi lông bàn chân thằn lằn (xem thêm Hình 1D, E). Sợi lông con rất mềm nên có thể bám sát vào mặt nền lồi lõm rất hiệu quả [4].
​

Theo sự tính toán của Autumn, nếu toàn thể 6,5 triệu sợi lông con trên bốn bàn chân bám vào mặt nền cùng một lúc thì thằn lằn có thể phình ra to bằng một chú lợn nặng 120 kg nhưng vẫn còn dính trên trần nhà! Bốn bàn chân tí hon chịu một sức nặng 120 kg phải gọi là "siêu dính". Nếu một bàn chân có diện tích 1 cm2 thì lực dính trung bình là 30 kg/cm2. Mặc dù lực van der Waals yếu hơn các lực khác trong liên kết hóa học (chemical bonding) như nối cộng hóa trị, nối ion, nhưng vì bề mặt tiếp xúc của cấu trúc nano trở nên cực lớn nên lực hút van der Waals tạo một sức chịu đáng kể. Trên thực tế toàn thể các sợi lông con không thể bám vào mặt nền cùng một lúc. Theo kết quả đo lường của Autumn, hai bàn chân trước của thằn lằn có thể chịu một sức nặng gần 2 kg [3]. Một cách chính xác hơn, diện tích bàn chân là 1 cm2 nên lực dính do lực van der Waals là 1 kg/cm2. Kinh nghiệm thường ngày cho biết nếu ta cắt 1 cm2 băng keo văn phòng hay thậm chí dùng keo "super glue" gia dụng, các loại keo này không thể đạt được sức chịu 1 kg. Mặc dù con số này nhỏ hơn kết quả tính toán 30 lần (30 kg/cm2), lực dính một ngón chân cũng đủ sức treo thằn lằn lơ lửng giữa trần nhà. Ngoài ra, động tác giở chân lên đặt chân xuống của thằn lằn hay chu kỳ từ bám dính đến tách rời (không dính) xảy ra rất nhanh, 20 lần trong một giây. Nếu toàn thể các sợi lông con bàn chân bám vào mặt nền cùng lúc, e rằng bàn chân thạch sùng sẽ như đôi ủng dính bùn, làm sao có thể xoay sở để săn mồi, rượt đuổi? Phải nói cấu trúc của bàn chân thạch sùng là một sản phẩm tuyệt tác của tạo hóa được thiết kế để điều hòa sự bám dính và những động tác cơ học đến mức tối ưu.

Mặt dính nano nhân tạo

Sự khám phá và kết quả nghiên cứu của Autumn không chỉ thỏa mãn sự tò mò sinh học nhưng còn đặt ra một vấn đề thú vị cho công nghệ tự động điều khiển học. Bài báo trên tờ Nature của Autumn và các cộng sự viên đã được trích dẫn rất nhiều lần trong giới nghiên cứu về khoa học bám dính (adhesion science) vì đây là một khái niệm dính khô hoàn toàn mới lạ, mang tính đột phá và đưa đến khả năng chế tạo các công cụ dính không keo, các dụng cụ "thông minh" lúc dính lúc không tùy vào tác động. Sự bám dính khô do lực hút van der Waals khác bám dính ướt (wet adhesion) dùng chất keo thông thường. Bám dính ướt có liên quan đến sự tẩm ướt (wettability), sức căng bề mặt (surface tension) và năng lượng bề mặt của vật chất. Những vấn đề này ngoài phạm vi của bài viết nhưng đã được đề cập tỉ mỉ trong các sách giáo khoa.

Đặc tính của bám dính khô vượt ra ngoài những chi phối của định luật về "khoa hoc bề mặt" (surface science). Nó chỉ tùy thuộc vào hình dạng, kích thước và thiết kế của cấu trúc bề mặt nano mà trong trường hợp của bàn chân thằn lằn là hàng triệu những sợi lông con keratin để đạt đến diện tích tiếp xúc cực đại. Điều này có nghĩa là sợi nano của mặt dính nhân tạo có thể chế tạo từ bất cứ vật liệu nào miễn sao cho bề mặt tiếp xúc đạt đến một trị số lớn nhất. Năm 2002, Autumn cùng các đồng nghiệp là giáo sư Ron Fearing và Robert Full (University of California, Berkeley, Mỹ) tạo ra một bề mặt với các loại sợi polyester hay silicon. Polyester là vật liệu polymer dùng làm vải vóc hoặc các loại chai nhựa. Trên một diện tích 1 cm2, Autumn, Fearing và Full tạo một bề mặt với 200 triệu sợi nano polyester có đường kính 700 nm (nhỏ hơn sợi tóc 100 lần) (Hình 1F). Mặc dù to hơn sợi lông con của bàn chân thằn lằn (10 -15 nm), cấu trúc nầy vẫn tạo ra một lực bám dính là 6 kg/cm2 nếu tất cả 200 triệu sợi đồng thời tác động lên mặt nền.

View attachment 9005
​

Hình 3: Mặt dính nhân tạo polyimide của Geim. Sợi có chiều dài 200 µm và đường kính 0,2 µm (= 200 nm) [5].
​

Năm 2003, Geim và các cộng sự viên chế tạo mặt dính với sợi polyimide (thương hiệu: Kapton) (Hình 3) [5]. Sợi có chiều dài 200 µm và đường kính 0,2 µm (= 200 nm). Ông dồn 100 triệu sợi trên một diện tích 1 cm2. Mặt dính nầy có thể chịu một sức là 1 kg. Sau đó, ông dùng 0,5 cm2 mặt dính này để treo lơ lửng đồ chơi "Spiderman" nặng 40 g vào mặt thủy tinh (Hình 4). Tiếc rằng sau năm lần bám dính/ tách rời, mặt dính mất hiệu năng. Geim cho rằng nguyên nhân chính là do tính thích nước của polyimide. Polyimide hút nước trên mặt thủy tính làm giảm tính "bám sát" trên bề mặt và sau đó các sợi polyimide lại quyện vào nhau như mái tóc bị thấm nước làm mất đi bản chất nano của mặt dính. Sự thất bại của tính bền khiến Geim phải kiểm điểm lại lý tính của keratin làm nên các sợi lông bàn chân thằn lằn và ông nhận ra rằng keratin là một vật liệu sinh học ghét nước. Ông cũng nhìn nhận mặt dính của Autumn, Full và Fearing bền hơn vì polyester và silicon là các vật liệu ghét nước giống như keratin. Vì vậy, mặc dù trong việc thiết kế mặt dính không tùy vào bản chất vật liệu, nhưng để mặt dính có tính bền lâu dài hóa tính và lý tính của vật liệu phải tương tự với keratin.

View attachment 9006

​

Hình 4: Spiderman (người nhện) nặng 40 g bám vào mặt thủy tinh với mặt dính nhân tạo polyimide của Geim [5]
​

Gần đây, ống than nano cũng là một vật liệu thông dụng để tạo nên mặt dính không keo. Trong quá trình chế tạo ống than nano trong lò nung cao nhiệt ( 1000 độ C), các ống than có thể "mọc" thẳng đứng như một thân cây dài (đường kính ống khoảng 50 - 100 nm) dày đặt nhưng một khu rừng nhiệt đới (tương tự như Hình 1F). Nhóm của giáo sư Liming Dai (University of Dalton, Mỹ) đã tạo được bề mặt ống than nano và 1 cm2 của bề mặt nầy có thể chịu một sức kéo gần 3 kg (3 kg/cm2) vượt hơn khả năng của bàn chân thằn lằn là 1 kg/cm2 [6].

Khác với các loại băng keo văn phòng, vì cấu trúc sợi nano của bàn chân thằn lằn khi hai mặt bàn chân chập vào nhau, hiện tượng bám dính không xảy ra. Lý do là vì không có bề mặt tiếp xúc nên các sợi nano không bám được vào nhau. Điều này xem chừng như là một nghịch lý vì bàn chân thằn lằn vừa có thể bám, vừa không thể bám. Theo thường thức nếu không bảo quản kỷ lưỡng, băng keo có thể bám bụi làm giảm hiệu năng. Nhưng bàn chân thằn lằn thì không. Điều này có thể giải thích bằng hai lý do. Một mặt, chất keratin làm ra sợi lông bàn chân thằn lằn là một vật liệu sinh học ghét nước. Mặt khác, các sợi nano làm nên cấu trúc nano biến toàn thể bàn chân thành mặt ghét nước giống như lá sen. Đây là hiệu ứng lá sen (lotus effect). "Nước đổ lá sen (môn)" hay "Nước đổ đầu vịt" là những thành ngữ quen thuộc nói tới sự không biết nghe lời, phục thiện của những cái đầu bướng bĩnh hay những chế độ có các ông quan mặt dày. Nhưng "lá sen" hay "đầu vịt" lại là những cấu trúc nano đặc biệt cho việc "tự làm sạch" (self-cleaning) cho các loại bề mặt trong đó có bàn chân thạch sùng. Hiệu ứng này giúp thằn lằn bám dính/tách rời (attachment/ detachment) hằng triệu lần trong suốt cuộc đời của mình mà bàn chân không mảy may bám chút bụi trần lúc nào cũng nguyên vẹn như vừa được "bóc tem"! Hiệu ứng lá sen sẽ được đề cập trong một bài viết khác.

Bàn chân "lông lá" không phải chỉ có ở thằn lằn. Sau bài báo cáo khoa học đăng trên Nature của Autumn và cộng sự viên [2], bàn chân của các loại côn trùng có khả năng leo tường, bám trần như bọ hung, ruồi, nhện... và người "anh em" với thằn lằn là kỳ nhông được khám nghiệm dưới góc nhìn của vật lý nano. Dưới kính hiển vi, người ta nhận diện những sợi lông ở kích thước nano dù khác nhau về hình dạng, mật độ tùy theo loại côn trùng, động vật, nhưng cơ chế bám dính chủ yếu vẫn là lực van der Waals. Mật độ các sợi lông bàn chân dày đặc ở những động vật to như thằn lằn, kỳ nhông nhưng thưa hơn ở côn trùng. Chẳng qua, thiết kế của thiên nhiên lúc nào cũng tối ưu và hợp lý, không thừa không thiếu. Mật độ các sợi lông gia tăng theo trọng lượng vật để tạo một sức chịu tương đương.

Nhằm tạo ra sản phẩm có những ứng dụng thực tiễn cho chân robot hay các dụng cụ dính không keo, ngoài việc mô phỏng cấu trúc nano phức tạp các nhà khoa học quan sát và phân tích từng động tác và cơ chế bám dính/tách rời của bàn chân thằn lằn một cách tỉ mỉ. Với các loại keo gia dụng (pressure-sensitive adhesive), ta cần một áp lực để ép sát hai bề mặt để gia tăng lực dính. Thằn lằn không dùng sức để làm việc này. Chúng chỉ đặt nhẹ bàn chân lên rồi khẻ kéo các ngón chân song song với mặt nền để cho các sợi lông con dễ tiếp giáp lên bề mặt. Lực hút van der Waals sẽ tác động vào bàn chân. Khi muốn giơ chân lên, các ngón chân cong lại đến một góc độ thích hợp kéo các sợi lông con rời khỏi mặt nền làm triệt tiêu lực van der Waals. Tất cả những động tác xảy ra trong một chu kỳ 50 mili giây (20 lần/giây).

Mô phỏng các động tác này quả là khó khăn. Tuy nhiên, điều này không làm chùn bước tiến sĩ Kimberly Turner (University of California, Santa Barbara, Mỹ). Năm 2007, Turner đã "trồng" được các sợi nano polymer trên mặt kim loại kền. Sau đó dùng từ lực làm di động lên xuống mặt kim loại này để các sợi nano polymer tiếp giáp hoặc rời xa mặt nền tạo ra chu kỳ bám dính/tách rời. Turner đã thí nghiệm thành công nhưng vẫn chưa đạt đến con số 20 lần/giây. Nhóm nghiên cứu của giáo sư Roger Quinn (Case Weatern Reserve University, Mỹ) đi xa hơn một bước là chế tạo ra một robot biết leo tường và bám trần nhà. Robot của ông và các cộng sự viên thật ra là một cái hộp nặng 87 g, chứa mô-tô nhỏ được điều khiển từ xa để quay bốn cái "chân" [7]. Mỗi chân là do bốn cái nan tạo thành. "Mặt dính thạch sùng" được gắn vào trên mỗi cái nan và con robot sẽ leo tường và đi trên trần nhà bằng những bước đi "lạch bạch".

Từ bài báo cáo của nhóm Autumn trong tạp chí Nature cho đến mặt dính di động của Turner và con robot của Quinn chỉ cần vài năm. Lực van der Waals trên bàn chân thạch sùng là một ẩn tàng của thiên nhiên như một thứ "rượu cũ" trong cái "bình cũ". Cũ là vì lực van der Waals hiện hữu từ khi vũ trụ xuất hiện và bàn chân thạch sùng không ngừng tiến hóa hàng triệu năm từ khi sinh vật có mặt trên quả địa cầu. Nhưng hai cái "cũ" này khơi dậy không ít niềm đam mê của các nhà khoa học, nhanh chóng đẩy mạnh sự tiến bộ của bộ môn nghiên cứu về "mặt dính nano không keo". Tuy nhiên, họ sẽ phải cần một thời gian rất dài để tạo ra một con robot có khả năng như "tay leo trèo siêu hạng" thạch sùng. Nhìn lại cấu trúc của bàn chân thằn lằn, ta thấy có thứ bậc cấu tạo (structural hierachy) rõ rệt, từ những lá mỏng vắt ngang ngón chân đến các cụm lông, đến sợi lông chính rồi tủa ra những sợi lông con (Hình 1). Trong quá trình bám dính/tách rời, mặt nền tác động lên những sợi lông con, rồi đến sợi lông chính, đến các cụm lông, đến mặt ngón chân, đến ngón chân... Những tác động dây chuyền này của những thành viên trong cấu tạo có thứ bậc di chuyển từ cấp độ vi mô đến cấp độ vĩ mô một cách liên tục, trơn tru và hài hòa. Đó là lý do chính tại sao thằn lằn có thể bám/rời bề mặt 20 lần/giây. Trong khi đó "mặt dính thạch sùng" chỉ có hai thứ bậc: các sợi nano được hình thành trên mặt đệm dẻo. Hiển nhiên, cái cấu trúc nhân tạo này vẫn còn quá thô thiển so với cấu trúc hài hòa của thiên nhiên.

Nguồn: Sưu tầm*