Nhóm nghiên cứu của Viện Max Planck ở Stuggart (Đức) hợp tác với Đại học bang Pennsylvania (Hoa Kỳ) và Đại học Koc ở Istanbul (Thổ Nhĩ Kỳ) sử dụng các thiết bị phân tích nhiệt quét vi sai DSC2500, phân tích nhiệt trọng lượng TGA Q50 và lưu biến kế DHR-2 của của TA Instruments vừa thành công trong việc công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Nature Materials tháng 7 năm 2020.

Nghiên cứu này có tiêu đề là “Sinh tổng hợp các vật liệu tự phục hồi cho máy mềm”.

Thuật ngữ “máy mềm” (soft machine) được thường sử dụng để chỉ các thiết bị máy móc, chẳng hạn như là rô-bốt mềm, cấu tạo bởi các vật liệu mềm có khả năng đáp ứng thích nghi với điều kiện môi trường làm việc. Khác với các thiết bị máy móc hay rô-bốt truyền thống, vật liệu cấu tạo nên máy mềm hay rô-bốt mềm có tính linh hoạt với những tính chất có thể biến đổi qua lại giữa các trạng thái khác nhau tùy theo điều kiện môi trường.

Các vật liệu tự phục hồi là yếu tố then chốt cấu tạo nên bộ phận truyền động mềm cho rô-bốt có thể vận hành trong điều kiện thay đổi phức tạp trong thế giới thực, nơi mà những mối đe dọa về tổn hại cơ học vẫn luôn thường trực. Hiện nay, các vật liệu tự phục hồi thường có nhược điểm là giới hạn sức phục hồi thấp (dưới 1 MPa) và yêu cầu thời gian phục hồi kéo dài (hàng giờ đến hàng ngày).

Nghiên cứu này là bước đột phá của ngành công nghệ vật liệu khi các nhà khoa học đã tìm ra loại protein tổng hợp có khả năng phục hồi tổn thương cơ học lớn (2-23 MPa) chỉ trong vòng 1 giây. “Chúng tôi đã phát triển hoàn thiện loại vật liệu để có thể đạt tốc độ hồi phục cao mà không mất đi sức bền cơ học. Chúng tôi đã thử nghiệm vật liệu này ở mọi điều kiện khắc nghiệt và chúng đều có thể phục hồi trong vài giây” - tiến sĩ Abdon Pena-Francesch, tác giả đứng đầu bài báo vui vẻ chia sẻ sau khi kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp san danh giá nhất của ngành khoa học vật liệu.

“Mục tiêu của chúng tôi là sử dụng sinh tổng hợp để tạo ra những vật liệu có khả năng tự hồi phục theo chương trình, và chúng ta có khả năng kiểm soát tối đa về những tính chất của chúng”- giáo sư Demirel của trường đại học bang Pennsylvania, đồng tác giả của bài báo cũng chia sẻ thêm. “Chúng tôi xây dựng các cấu trúc phân tử bằng phương pháp mà ta có thể lập trình cho những tính chất tự phục hồi của vật liệu.” Nhóm của ông đã nghiên cứu công thức cấu tạo và trình tự amino-acid của các protein ở loài mực ống và phát triển các vật liệu sinh tổng hợp mới bằng kỹ thuật “protein engineering”.

“Và rồi chúng tôi có thể giảm thời gian tự phục hồi từ 24 giờ xuống chỉ còn 1 giây, do đó các rô-bốt mềm dựa trên protein giờ đây đã có thể phục hồi gần như tức thì. Trong thiên nhiên, việc tự phục hồi thường tốn thời gian tương đối dài. So sánh như vậy thì có thể nói rằng, công nghệ của chúng ta đã có phần thông minh hơn được bà mẹ tự nhiên rồi” -  tiến sĩ Pena-Francesch dí dỏm nói thêm.

Loài mực tốn nhiều thời gian để phục hồi là do cấu trúc phân tử protein bên trong xúc tu của chúng chưa được đan xen một cách hoàn hảo. Lấy ý tưởng đó, các nhà khoa học đã thay đổi cấu trúc phân tử cho đến khi họ có thể tạo ra liên kết đan chéo giữa chúng lại với nhau. “Đó là một mạng lưới mà một số điểm kết nối bị lỗi cho nên tính chất của chúng chưa được tốt lắm. Chúng tôi nối các điểm bị lỗi đó lại và cải thiện được vật liệu có tính chất ưu việt hơn nhiều so với thiên nhiên.” – tiến sĩ Pena-Francesch nói đầy tự hào. Ngoài ra, thông thường các vật liệu polymer hay nhựa dẻo có liên kết cố định vĩnh viễn, nhưng vật liệu mới này có các liên kết đan chéo khả nghịch được. Nhờ vào những liên kết hyđro diễn ra nhanh chóng, các điểm kết nối có thể dễ dàng trở lại đúng vị trí sau khi bị tổn thương cơ học.

Tính chất tự hồi phục với tốc độ nhanh của vật liệu này mở ra viễn cảnh về những rô-bốt khám phá địa hình trong tương lai, điều mà trước kia chỉ có trong những bộ phim khoa học giả tưởng.

Các thiết bị của TA Instruments đã đóng góp một phần không nhỏ vào công trình nghiên cứu này. Thiết bị phân tích nhiệt trọng TGA Q50 được sử dụng kèm với sắc ký khối phổ (MS) để phân tích hàm lượng nước của các protein được sinh tổng hợp nên (hình 1). Theo như dự đoán của các chuyên gia nghiên cứu, khả năng tự phục hồi bằng liên kết hyđro của vật liệu có thể được tăng tốc lên nhờ vào quá trình khuếch tán của các chuỗi protein, do đó việc tăng hàm lượng nước trong protein sẽ hỗ trợ quá trình này.

Nhiệt lượng kế quét vi sai DSC 2500 của TA Instruments được xử dụng để phân tích nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh (Tg) của vật liệu. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng, các protein cấu trúc khi ở dạng hấp thụ nước có nhiệt độ Tg thấp hơn rất nhiều so với dạng mất nước. Do đó, khi ở dạng hấp thụ nước, chúng được đảm bảo ở trạng thái cao su bền vững ở nhiệt độ phòng (hình 2).

Lưu biến kế DHR-2 của TA Instruments được sử dụng để phân tích độ bền cơ học của vật liệu. Kết quả cho thấy vật liệu với khả năng phục hồi đạt độ ổn định trong khoảng tần số rất rộng (hình 3).

Các thiết bị của TA Instruments luôn có chất lượng kết quả cao nhất. Chính vì vậy TA Instruments luôn là lựa chọn số 1 của những nhà khoa học hàng đầu trên thế giới.

Tài liệu tham khảo:

Pena-Francesch, A., Jung, H., Demirel, M.C. et al. Biosynthetic self-healing materials for soft machines. Nat. Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-0736-2

Max Planc Institute for Intelligent Systems (2020). Self-healing soft material outsmarts nature. Retrieve from https://is.mpg.de/news/self-healing-soft-material-outsmarts-nature