Vật liệu cứng tự liền lại khi bị xước, tương lai cho y khoa và màn hình điện thoại

Vào năm 1941, đâu đó trên dãy Alps có một người đàn ông đang dắt chó đi dạo: George de Mestral khi ấy còn là một kỹ sư người Thụy Sĩ, và con đường trên Alps thì đầy những cây ngưu bàng mọc dại. Vuốt ve bộ lông của chú chó, Mestral phát hiện nó bị bám đầy bởi những quả ngưu bàng có gai móc.

Nhưng cũng chính buổi đi dạo ngày hôm ấy đã dẫn đường cho 15 năm nghiên cứu của Mestral, cho tới khi anh xin cấp được bằng sáng chế, thành lập công ty và sản xuất hàng tỷ miếng dán Velcro mỗi năm.

Những miếng dán Velcro hóa ra được lấy cảm hứng từ quả ngưu bàng bám trên bộ lông chó

Câu chuyện của Mestral có lẽ là ví dụ điển hình nhất cho biomimicry, hay còn gọi là bắt chước và ứng dụng những “bản thiết kế” của tự nhiên vào đời sống.

Khi con người chịu khó quan sát thiên nhiên nhiều hơn, chúng ta cũng học được nhiều hơn từ đó. Kết quả là keo dán vết thương trong phẫu thuật ra đời từ việc quan sát dịch nhày của sò, các bề mặt chống nước, chống bụi lấy cảm hứng từ lá sen và các loại sợi siêu bền mà chúng ta có thực ra đã bắt chước tơ nhện.

Gần đây nhất, trong một nghiên cứu trên tạp chí ACS Nano, các nhà khoa học đã lại một lần nữa ‘biomimicry’, khi tạo ra một polyme tự hồi phục, bắt chước da người nhưng lại cứng như men răng.

"Chúng tôi luôn ngạc nhiên trước sức mạnh của tự nhiên, bởi tự nhiên luôn tạo ra được các cấu trúc phức tạp bằng một cách tao nhã nhất”, Ming Yang, tác giả chính của nghiên cứu này, hiện đang là giáo sư tại Viện Công nghệ Harbin, Trung Quốc cho biết.

Bằng cách mô phỏng da người, Yang và các đồng nghiệp của mình đã tạo ra được một loại vật liệu polyme vừa cứng nhưng lại có khả năng tự chữa lành chính nó.

Mọi chuyện lại bắt đầu từ việc quan sát, lần này là những vết xước nhỏ trên da. Khi lớp biểu bì ngoài cùng bị rách, sau một thời gian, vết thương sẽ tự lành lại như ban đầu mà không để lại sẹo. Đó là vì các tế bào từ lớp da bên dưới đã dần di chuyển lên phía trên biểu bì, hàn gắn vết xước, cứng lại và trở thành các tế bào chết, che chắn cho lớp tế bào da sống bên dưới.

Mặc dù có cơ chế tự chữa lành hoàn hảo, nhưng da của chúng ta không cứng lắm. Nó chắc chắn không thể cứng bằng men răng, nhưng răng thì lại không thể tự chữa lành được. Tưởng tượng điều gì sẽ xảy ra khi những vết sâu răng có thể tự động lành lại?

Điều gì sẽ xảy ra khi những vết sâu răng, vỡ răng có thể tự động lành lại?

Giáo sư Yang và các đồng nghiệp của mình đã theo đuổi ý tưởng kết hợp hai tính chất ưu việt của da và men răng. Họ đã tạo ra được một vật liệu polyme cứng nhưng vẫn có khả năng tự chữa lành. Nó có nguồn gốc từ rượu polyvinyl (PVA), một polymer tổng hợp đã được ứng dụng rộng rãi trong đời sống, từ làm mồi câu cá đến thuốc nhỏ mắt và acid tannic, được dùng để đánh bóng đồ gỗ và gạn cặn bia.

Tất cả các ứng dụng của PVA đều thân thiện với môi trường, giáo sư Yang nói. Ông và các đồng nghiệp mô tả nó như một vật liệu "sống", và nó hoạt động như lớp da sống dưới biểu bì của bạn. Còn để có lớp vật liệu cứng và chết như phần trên biểu bì, giáo sư Yang đã dùng oxyt graphene, một vật liệu thường làm điện cực cho các loại pin.

Tuy nhiên, không phải chỉ ghép hai vật liệu một cứng một mềm này lại với nhau, là nó đã có khả năng tự phục hồi. “Nếu đơn giản chỉ xếp chồng hai lớp này lên nhau, kết quả bạn có chỉ là một miếng vật liệu dày hơn mà thôi”, giáo sư Yang nói.

Cấu trúc đòi hỏi sự phức tạp hơn nhiều: các lớp hỗn hợp của polyme và liên kết giữa chúng phải cho phép sự tương tác diễn ra và đáp ứng với quá trình tự sửa chữa hư hại. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra hiệu ứng này bằng phương pháp lắp ráp phân tử, một kỹ thuật định vị các phân tử một cách chính xác để kiểm soát được phản ứng hóa học của chúng.

Mô phỏng các lớp tế bào sừng ngày càng dày và cứng hơn khi gần bề mặt da hơn, lớp vật liệu của giáo sư Yang cũng có lượng oxyt graphene được phân bổ dày đặc hơn theo từng lớp một.

Cấu trúc vật liệu mô phỏng tính chất dày sừng của da người

Khi vật liệu bị hư hại, PVA và các phân tử axit tannic có thể tràn vào các khu vực bị hư hỏng, kéo nó lên bởi một mạng lưới các liên kết hydro. Độ cứng của lớp trên sẽ bẫy các polyme bên dưới nó.

Kết quả mà giáo sư Yang và các đồng nghiệp đạt được là một vật liệu có độ cứng kỷ lục, 31,4 Gpa, tương đương một lực 31.400 N trên mỗi 1 mm². Trong so sánh, men răng nhân tạo sử dụng công nghệ nano có độ cứng chỉ nhỉnh hơn một chút, ở mức 39,8 Gpa. Men răng thực tế có độ cứng là 89 GPa.

Để kiểm tra khả năng tự hồi phục của vật liệu, giáo sư Yang và các đồng nghiệp đã sử dụng một lưỡi dao để cắt nó, và giấy nhám để phá hủy một diện tích bề mặt lớn. Nhưng kết quả là miếng vật liệu này đã hồi phục hoàn toàn sau mỗi lần thử nghiệm.

Không chỉ duy trì được vẻ bề ngoài, cả độ cứng của vật liệu cũng được bảo tồn trước và sau khi hồi phục từ tổn hại.

Vết cắt và xước trên bề mặt vật liệu đã tự liền trở lại

Một điểm đặc biệt nữa, vật liệu polyme mới này cũng có tính kháng khuẩn. Các nhà nghiên cứu thả khuẩn E. coli vào một một đĩa thạch chứa vật liệu, nhưng vi khuẩn đã không xâm nhập vào khu vực xung quanh vật liệu. Điều này cho thấy polyme này có chức năng bảo vệ như của da người.

Tính chất này có thể giúp nó trở thành "sự lựa chọn tốt cho các lớp phủ y tế", giáo sư Yang nói. Nếu kết hợp với các cấu trúc vật liệu polyme khác đã được phát triển trước đây, để phản ứng được với nhiệt hoặc ánh sáng, vật liệu sẽ có nhiều ứng dụng trong nha khoa.

Đây cũng chính là lĩnh vực mà giáo sư Yang và đồng nghiệp lựa chọn để tiếp tục nghiên cứu. Có thể một ngày nào đó, chúng ta sẽ được chứng kiến công nghệ tự làm lành vết sâu răng. Và nếu ứng dụng được mở rộng ra cả các ngành công nghiệp khác, bạn có thể tưởng tượng đến một chiếc điện thoại siêu bền, bởi cứ xước ở đâu, nó sẽ tự liền lại ở đó.

Tham khảo Motherboard