Learn

The forum of documents and methods for study - Lượm lặt kiến thức


Sợi tơ nhện và những ứng dụng

QaniTri
QaniTri
Admin

Nam Libra Monkey
Tổng số bài gửi : 1492
Tiền xu Ⓑ : 3758
Được cảm ơn № : 2
Ngày khởi sự Ngày khởi sự : 07/01/2013
Đến từ Đến từ : HCMC
Côngviệc / Sởthix Côngviệc / Sởthix : Languages, Softwares, Sciences, Martial arts

Sợi tơ nhện và những ứng dụng Empty Sợi tơ nhện và những ứng dụng

Bài gửi by QaniTri on 9th April 2017, 15:55

“Buồn trông con nhện giăng tơ.
Nhện ơi! Nhện hỡi! Nhện chờ mối ai?”
(Cadao Viet Nam)

Theo thống kê sinh học trong số 40,000 loài nhện trên khắp thế giới thì phần lớn các loài nhện đều nhả tơ, đây là thứ sợi Sợi tơ nhện và những ứng dụng Dhd-nhencjkmỏng nhưng rất bền có thành phần là một dạng protein, được thải ra từ phần sau cùng của bụng con nhện. Mạng nhện được các loài nhện dùng nhiều mục đích khác nhau, tùy thuộc vào tập tính và cách sống, có loài sử dụng như một dây để leo trên vách hoặc làm tổ trong các hốc đá, tạo nơi giữ và gói mồi, giữ trứng và giữ tinh trùng. Sợi tơ của nhiều loài nhện có khả năng kết dính nên mạng nhện còn dùng để bẫy mồi. Khi nhện dệt lưới thành mạng để kiếm mồi cũng tốn nhiều công sức chúng, tùy thuộc vào loài nhện và loại mồi, chúng “dệt” một bẫy mồi với thời gian khác nhau, theo ước tính để hoàn thành một mạng nhện hoàn chỉnh của một con nhện chúng ta thấy ngoài vườn là không ít hơn 45 phút.

Thủy tổ nhện không giăng tơ

Chúng ta thường thấy nhiều kiểu mạng tơ nhện, nhưng thường là hình xoắn có các cạnh. Các chuyên gia nghiên cứu về lịch sử phát triển của loài nhện cho rằng từ nguyên thủy chất tơ được các loài nhện thường dùng làm kén để bảo vệ trứng. Nhiều loài nhện “dệt tơ” làm tổ dưới mặt đất hoặc dưới nước. Có loài còn dùng tơ nhện dùng làm công cụ dẫn đường, làm vũ khí để săn mồi nhưng không phải là làm mạng nhện.

Nhện đã “dệt” tơ 55 triệu năm trước

Loài nhện cổ đại đã tạo ra tơ nhện từ 55 triệu năm trước. Một khoa học gia thuộc Ðại Học Ohio State đã nhận xét sau khi tìm thấy cấu trúc tơ nhện trong cơ thể của một loài động vật thuộc lớp nhện hóa thạch. Hóa thạch cho thấy hoạt động làm tơ có lẽ đã tiến hóa một theo nhiều hướng khác nhau ở các giống nhện. Hóa thạch này được tìm thấy tại một hầm mỏ ở Ohio.

Nhiều loại tơ nhện

Một số loài nhện có thể có nhiều loại tơ, mỗi loại sử dụng vào một mục đích khác nhau. Ðối với loại mạng lưới nhện mà chúng thấy nhện làm tơ ở vườn thì cấu tạo gồm sợi tơ dây kéo và sợi tơ dính chủ yếu dùng để săn mồi. Nghiên cứu của đại học California, Riverside cho biết đây là sự kết hợp của hai loại sợi tơ nhện giúp cho mục đích bắt mồi. Khi côn trùng vào mạng nhện, sợi tơ dính sẽ làm giảm tác động và giữ chặt con mồi, lúc này sợi tơ kéo làm giảm lực tác động và giữ cho tấm lưới không bị rách. Sợi tơ kéo mà loài nhện Nephila clavipes cái căng ra có thể hấp thu lực tác động tốt hơn cả một loại sợi bảo vệ dùng để chế tạo quần áo chống lửa và chống đạn.

Với việc giải mã thành công các gene liên quan tới tơ nhện, giới khoa học hy vọng có thể sản xuất được loại vật liệu này mà không cần những con nhện thực sự.

Nhện dệt lưới có màu sắc để làm gì?

Chúng ta có thể dễ gặp dạng tơ nhện có nhiều màu sắc. Cũng theo nghiên cứu của đại học California, Berkeley cho thấy nhện đã tạo mạng tơ nhện bằng những đoạn tơ nhiều màu sắc óng ánh dưới ánh sáng Mặt Trời, được gọi là stabilimenta. Dạng sợi tơ này có thể được kết mạng thành nhiều hình dáng khác nhau và được thay đổi thường xuyên. Khi săn mồi, nhện sẽ nằm rình ở giữa mạng bay và chờ mồi.

Ở loài nhện Argiope Châu Mỹ, kết quả nghiên cứu cho thấy mạng nhện nhiều màu sắc thì bắt được ít mồi hơn 30% so với những chiếc lưới không màu.

Tuy nhiên, số nhện sống trong những chiếc lưới nhiều màu sắc lại ít bị kẻ thù của nhện ăn thịt hơn. Loài nhện Argiope có thể đã chấp nhận đánh đổi một phần thức ăn có thể kiếm được thêm để đổi lấy sự an toàn cho bản thân chúng. Những loài nhện khác cũng có khả năng bảo vệ cuộc sống như vậy.

Ðộ chắc và độ bền vô địch của tơ nhện

Về hình dáng, độ bền và chức năng hoạt động của mạng nhện có nhiều điều khiến các nhà khoa học công nghệ quan tâm. Nghiên cứu của Ðại Học Harvard và Viện Công Nghệ Massachusetts cho thấy sợi tơ của loài nhện Nephila clavipes, một loại nhện có thể dệt ra một mạng nhện rất chắc đến nỗi nó có thể bắt được những con chim nhỏ.

Ðộ bền của sợi tơ nhện là do cấu trúc hóa học tuy nhiên nhiều nghiên cứu còn cho thấy lí do làm cho tơ nhện bền và chắc còn do tiến trình sợi tơ được thải ra khỏi tuyến tạo thành sợi tơ của nhện, khi thải sợi tơ ra ngoài thì sợi dài mảnh và khô nhanh, mạng nhện được “dệt” rất mỏng và mềm vậy mà trở thành một loại vũ khí bắt mồi rất hiệu quả. Theo kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học, độ đàn hồi của mạng nhện lớn hơn một mạng lưới đan bằng thép.

Bí quyết để tạo ra tơ nhện chính là Polymer.

Các loại nhựa plastic, hoặc chất Kevlar (sử dụng trong áo khoác chống đạn Kevlar là nhãn hiệu thương mại được đăng ký sợi cho loại sợi nhân tạo para-aramid, rất bền vững và nhẹ. Kevlar được phát triển tại công ty Dupont vào năm 1965 bởi Stephanie Kwolek và Roberto Berendt, được thương mại hóa từ những năm đầu thập kỷ 70). Những protein mà chúng ta gặp trong tự nhiên là các dạng polymer tạo thành từ các amino acid cũng với những liên kết đặc biệt. Do có cấu hình khác nhau nên polymer có thể dẻo hoặc cứng, hòa tan được trong nước hoặc không hòa tan được, chịu được nhiệt, hóa chất và rất bền.
Dung dịch protein của sợi tơ nhện chứa 30 đến 40% là polymer phần còn lại là dung dịch nước lỏng. Tuyến sản xuất sợi tơ của nhện có khả năng tổng hợp các đại protein và khi tạo nên các sợi tơ protein nhỏ và mảnh ngoài tự nhiên thì những sợi này không kết dính trở lại.

Cấu trúc gì khiến tơ nhện lại kỳ diệu như vậy

Sợi tơ nhện là chất liệu rất bền, nghiên cứu của Viện Công Nghệ Massachusetts cho biết thành phần trong cấu trúc của tơ nhện gồm các protein và các amino acid. Nghiên cứu cho biết độ dai hay độ bền của mảnh tơ của nhện do có mặt các dạng amino acid trong các thớ sợi, sức mạnh của tơ kéo nằm ở amino acid tạo nên những protein bền chắc. Lực bền của sợi tơ nhện do cấu trúc không gian của các protein quyết định bao gồm nhiều mối liên kết yếu giữa các nguyên tử hydro cùng phối hợp với nhau để chịu đựng những tác động như sức căng và chịu tải. Cấu trúc này làm sợi tơ nhện tuy nhẹ nhưng khá vững chắc ngay cả khi liên kết hydro giữa các sợi tơ với nhau là rất yếu.

Nhờ nghiên cứu các nhà khoa học đã có những hiểu biết chính xác về trình tự sắp xếp của cấu trúc protein để làm tăng độ bền của vật liệu, kết quả này, trong tương lai sẽ giúp tạo ra những vật liệu mới tương tự cấu trúc của sợi tơ nhện và bền chắc.

Nhiều ứng dụng của sợi tơ nhện

Ngoài tính đàn hồi, tơ nhện thường được ca ngợi là bền hơn thép có cùng độ dày. Tiềm năng ứng dụng của sợi tơ nhện trong tương lai là rất lớn, có thể dùng chế tạo quần áo bảo vệ, áo chống đạn, dây, lưới đánh cá, túi khí chống va đập cho các phương tiện giao thông v.v...
Nghiên cứu tại Ðại Học Wyoming đã đánh giá sợi tơ nhện là loại sợi tự nhiên khỏe có thể giúp tái tạo hoặc phục hồi các dây chằng ở người. Hơn thế nữa sợi tơ nhện khi ở trong cơ thể hầu như không tạo ra những phản ứng miễn dịch và không bị ràng buộc bởi phản ứng đào thải của cơ thể. Dẫn tới nhiều nghiên cứu ứng dụng sợi tơ nhện trong y học như: Sợi tơ nhện có thể dùng để tái tạo dây chằng bị tổn thương ở đầu gối, dùng tơ nhện như một loại chỉ siêu mịn khâu những vết thương ở vùng dây thần kinh hay mắt.

Có thể sản xuất sợi tơ nhện nhân tạo được không

Loài nhện sống không thành xã hội như loài ong và kiến, một cách sống của chúng là chúng thường ăn thịt lẫn nhau, nên nuôi nhện để lấy sợi tơ là việc khó. Trong khi nhu cầu tơ nhện đang tăng lên thì vấn đề đang được các nhà khoa học nghiên cứu là làm sao có thể sản xuất được sợi tơ nhện nhân tạo dùng cho y học, công nghệ và khoa học quân sự, các nhà nghiên cứu đang hướng đến việc là đưa các gene sản xuất ra protein tơ nhện vào cơ thể của sinh vật khác, gọi là sinh vật biến đổi gene, nhưng trước hết phải thiết kế được đoạn gene phụ trách “sản xuất” những protein đặc trưng của tơ nhện, bước thứ hai có thể chuyển gene này vào vi sinh vật, cây trồng hay động vật. Ðây là “nhà máy sản xuất” ra protein tơ nhện. Những sinh vật biến đổi gene này trong nguồn gene mới có chứa đoạn gene cho phép cơ thể này tự sản xuất ra lượng protein đặc hiệu của tơ nhện. Bước tiếp theo khi con người đã biết cấu trúc của sợi tơ thì tiến trình “dệt” tơ nhện nhân tạo sẽ hiện thực được.

Nghiên cứu gần đây cho thấy, các khoa học gia đã phát hiện và lập được trình tự đoạn gene của 2 protein quan trọng nhất có trong những sợi tơ bền chắc của nhện góa đen (black widow) là loài nhện nhỏ nhưng rất độc đang hiện diện trong vùng. Chính những protein này tạo ra độ bền chắc của sợi tơ nhện. Phát hiện mới này sẽ mở ra một khả năng lớn cho việc sản xuất nhiều loại nguyên liệu mới dùng trong công nghiệp, quân sự, y học, thể thao, v.v.

Sợi tơ bền chắc của nhện black widow là loại tơ có chất lượng tốt hơn rất nhiều so với tơ của các giống nhện khác, vì nó có độ bền chắc và kéo giãn cao hơn.

Cùng với việc giải mã thành công các gene quan hệ với sản xuất protein của tơ nhện, chúng ta tin rằng có thể sản xuất được loại vật liệu tuyệt vời này bằng phương pháp nhân tạo.

Hiển Mai tổng hợp

__________________
chutluulai.net
QaniTri
QaniTri
Admin

Nam Libra Monkey
Tổng số bài gửi : 1492
Tiền xu Ⓑ : 3758
Được cảm ơn № : 2
Ngày khởi sự Ngày khởi sự : 07/01/2013
Đến từ Đến từ : HCMC
Côngviệc / Sởthix Côngviệc / Sởthix : Languages, Softwares, Sciences, Martial arts

Sợi tơ nhện và những ứng dụng Empty Mạng Nhện: Vật Liệu Thiên Nhiên

Bài gửi by QaniTri on 9th April 2017, 15:59

Lltran 

Sợi tơ nhện và những ứng dụng Mangnhen
[size=undefined]
Nói đến mạng nhện là ta mường tượng ra hình ảnh của sự nối kết trong không gian lơ lửng; sự mỏng manh nhưng bền bỉ, dọn dẹp xong lại xuất hiện, hết nơi này sang nơi khác trong xó nhà. Mạng nhện dính chặt vào chổi, vào khăn lau chùi, phải giặt giũ kỹ lưỡng mới sạch. Hiện tượng thiên nhiên về mạng nhện là như thế, biết nhưng con người chưa hiểu tại sao, mãi đến nay ta mới khám phá ra tính "keo dính" kia xuất phát từ đâu. 

Các chuyên viên hóa học tại the University of Akron tường trình kết quả nghiên cứu trên tạp chí Nature Communications trong năm ngoái và gần đây trên bản tin ngắn của hội chuyên gia Khoa Học Vật Liệu Hoa Kỳ (the American Society of Material Sciences): Chỉ vài hạt chất lỏng rất nhỏ, nhỏ li ti cỡ 1/3 đường kính của sợi tóc, nhền nhện có thể giăng lưới bắt mồi. Nguyên liệu thắt lưới nhện hay tơ nhện là một chất keo dính, cuộn chặt khiến con mồi không thể đào thoát và đành chịu chết để trở thành thức ăn. 

Chất keo kể trên là một loại polymer có tính nối kết (cross-linked) rất chặt chẽ nên mạng nhện vô cùng bền bỉ, dẻo dai. Về hóa tính, tơ nhền nhện là một chất sền sệt, có tính đàn hồi (co giãn); các đặc tính này giúp mạng nhện tóm chặt côn trùng. 

Tiến Sĩ Ali Dhinojwala, giáo sư Hóa Học, mô tả tơ nhền nhện như một chất keo dẻo tựa kẹo cao su với tính đàn hồi rất cao. Tơ nhện không dễ hòa tan trong nước (sự kiện này giải thích tại sao giẻ lau chùi giặt không sạch mà phải tháo gỡ mới hết mạng nhện!). Tuy nhiên, tơ nhền nhện cần độ ẩm để giữ độ dính; đặc tính này khiến mạng nhện hữu dụng trong những nơi ẩm thấp kể cả lúc trời mưa. Khi không khí quá khô, độ ẩm xuống thấp, mạng nhện không dính nữa; trái ngược với đặc tính của băng keo khi nhúng nước thì rã và hết dính.

Sự xuất hiện của mạng nhện được ghi chép trong sách vở từ 140 triệu năm (?) tại Sussex, miền Nam nước Anh. Tương truyền rằng nhền nhện tiết ra tơ để bảo vệ thân thể và trứng khi di chuyển từ môi trường thủy sinh lên mặt đất; sau đó tơ dùng làm vũ khí săn bắt con mồi (nhền nhện ăn thịt) như ta biết ngày nay. Tuy nhiên, không phải loài nhền nhện nào cũng giăng tơ. Mạng nhện hay lưới nhện đang sử dụng được gọi là "spider web" và "cobweb" là mạng nhện bỏ hoang.

Nhền nhện là một động vật trong loài Athropoda, khác với côn trùng; nhền nhện có 4 đôi chân (côn trùng có 3 đôi), và không có ăng ten như côn trùng. Sách vở về sinh vật học ghi chép sự hiện diện của 5,400 chủng loại nhền nhện khác nhau trên mặt đất.

Nhền nhện đực nhỏ hơn và có nhiều màu sắc hơn so với con cái; thân mình có thêm một đôi "vòi" nhọn với bầu tinh trùng. Khi giao phối, vòi chuyển tinh trùng vào thân mình con cái. Bình thường nhền nhện ẩn trốn, chỉ xuất hiện khi cần đi tìm bạn tình. Đến mùa yêu đương, tùy theo chủng loại, nhền nhện đực "tỏ tình" bằng cách đem "thức ăn" (một côn trùng) đến làm quà, dùng chân để rung mạng nhện của một con cái hoặc nhảy múa để biểu dương tài sức trước mặt con cái.

Sau khi giao phối, tháo hết tinh trùng vào thân thể con cái, nhền nhện đực thường: a) trở thành thức ăn của bạn tình để nuôi dưỡng trứng thụ tinh, hoặc b) chung sống với con cái cho đến chết. Tuy nhiên, nhền nhện đực không sống bao lâu sau khi giao phối, mục đích truyền giống đã xong nên thường lăn ra chết. Con cái sông lâu hơn bạn tình, có loài chết sau khi đẻ trứng, có loài trở thành thực phẩm của nhện con, có loài sống nhiều năm kế tiếp. Hầu hết nhền nhện cái bảo vệ trứng và con.

Nhền nhện tiết ra tơ từ những tuyến tơ trong bụng, nhền nhện có khoảng 3 đôi tuyến tơ, một vài loài có 4 đôi tuyến tơ. Mỗi tuyến tơ dùng để chế tạo một loại tơ khác nhau. Chẳng hạn như tơ "an toàn" (làm dây đu), tơ dính để bắt mồi, hoặc tơ mỏng để trói mồi ... Nhền nhện có thể chế tạo đến 8 loại tơ khác nhau. Mạng nhện giúp nhền nhện bắt mồi, trông có vẻ như một cách kiếm thức ăn ít hao tổn năng lượng, thực ra giăng tơ là một hoạt động tiêu xài khá nhiều sức lực, con vật phải nhả tơ, tiêu xài một lượng protein của thân thể. Sau một thời gian, mạng nhện mất dần tính keo dính và không còn hữu dụng trong việc bắt mồi nữa. Do đó, nhền nhện thường ăn mạng nhện để lấy lại một phần năng lượng đã dùng. Nói giản dị, tơ nhện được tái dụng.

Nhện giăng tơ ra sao?

Rất trật tự, lớp lang, nhền nhện đứng ở một chỗ, như cành cây, nhả tơ vào trong ... gió; sợi tơ lơ lửng kéo giãn cho đến khi bám vào một tụ điểm, tạo thành một chiếc cầu. Nhền nhện bám theo chiếc cầu này mà nhả sợi tơ thứ nhì, thứ ba cho đến khi chiếc cầu tơ vững chắc. Kế đến, nhền nhện bắt đầu "dệt", nhả tơ theo thể dạng chữ V rồi chữ Y, rồi hình tròn, giữa những sợi tơ dính là những sợi tơ "không dính". 

Dệt xong, nhền nhện nằm nghỉ trong tâm điểm của mạng lưới. Sau một đêm săn bắt, mạng lưới "mòn", bớt dính, nhền nhện tháo bỏ tơ bằng cách ăn dần những sợi tơ, chỉ giữ lại chiếc cầu đầu tiên. Cuối ngày, nhền nhện bắt đầu nhả tơ và dệt một mạng lưới khác, cứ như thế mà tiếp tục.

Mắt con người có thể nhìn thấy vật thể nhỏ cỡ 25 micrometer đường kính ở khoảng cách 10 cm; đường kính trung bình của sợi tơ nhện khoảng 0.15 micrometer, sợi tơ nhỏ nhất cỡ 0.02 micrometer, mắt con người không thể nhìn thấy sợi tơ nhưng nhờ màu sắc lóng lánh trong ánh nắng, ta có thể thấy màng lưới nhện.
[/size]
Sợi tơ nhện và những ứng dụng Mangnhen2
[size=undefined]Mỏng manh như thế nhưng màng nhện kể trên có thể chụp bắt một con ong đang bay với vận tốc nhanh nhất; mặc con ong vùng vẫy, tơ nhện vẫn cuộn chặt, mạng nhện không những mạnh mẽ mà còn rất dẻo dai.

Tơ nhện cấu tạo ra sao? Đây là một protein kích thước cỡ 30,000 Dalton khi nằm trong tuyến tơ. Bên ngoài tuyến tơ, protein này biến dạng, polymerize, trở thành một phân tử có tên fibroin với kích thước cỡ 300,000 Dalton. Sợi tơ nhện co giãn rất nhiều, có thể kéo giãn đến 30-40% chiều dài nguyên thủy, sợi tóc con người khi ướt có thể kéo giãn khoảng 15%, kéo nữa sợi tóc sẽ đứt. So với các vật liệu khác: thép có thể kéo giãn khoảng 8%, nylon khoảng 20%. Tạm hiểu là tính đàn hồi của tơ nhện rất cao, khiến vật liệu này rất bền bỉ.

Với các đặc tính quý hiếm như thế, tơ nhền nhện có thể dùng vào việc gì? Thủa trước, ngư phủ đã dùng tơ nhện làm lưới đánh cá, làm sợi câu trong khi thổ dân Guinea dùng tơ nhền nhện để làm mũ nón che mưa. Tơ nhện chứa nhiều vitamin K nên cổ nhân đã dùng để cầm máu.

Vào thế kỷ thứ XVIII, ông Bon de Saint-Hilaire, người Pháp, đã dùng tơ nhện để dệt vải thành công nhưng không thể phát triển thành kỹ nghệ vì ta cần cả 1.3 triệu cái kén để chế tạo 1 ký lô tơ. Tóm tắt là nhền nhện không chịu khó nhả tơ như tằm và nuôi tằm dễ hơn cả ngàn lần so với nuôi nhền nhện: tằm ăn lá dâu dễ trồng, dễ kiếm trong khi nhền nhện ăn côn trùng khó nuôi. 

Trong kỹ nghệ vật liệu ngày nay, đã có nhiều chuyên viên thử chế tạo loại protein tương tự như fibroin để may áo giáp chống súng đạn hay chế tạo (sợi) gân (tendon) hoặc dây chằng (ligament) nhân tạo dùng trong y học. Các áp dụng này còn nằm trong vòng thử nghiệm. 
Thí nghiệm mới nhất do nhóm chuyên viên tại Đại Học Tufts công bố, Tiến Sĩ David Kaplan và đồng sự đang thử nghiệm một màng tơ (silk film) mỏng và dẻo dai đủ để làm nguyên liệu dẫn điện để "ghép" vào não bộ chữa trị chứng động kinh.

Nói chung, nhận ra các đặc tính quý hiếm của tơ nhện nên con người vẫn tiếp tục nỗ lực tìm kiếm cách sử dụng loại vật liệu này. Trong một khía cạnh khác: Từ trước đến nay, nhền nhện vẫn bị xem là con vật xấu xí, hôi hám và độc hại. Dế Mèn đổi ý kiến khi đọc được các tài liệu trong Khoa Học Vật Liệu về tơ nhện. Con vật xấu xí, độc hại như thế nhưng vẫn có thể sử dụng vào một công ích nào đó nếu ta biết cách dùng, nhưng chưa thấy chuyên viên nào tìm ra công ích trong đời sống của những con người độc hại? 

Lltran
Nguồn: Tvvn
daihocsuphamkythuat-thuduc.org
[/size]


    Hôm nay: 7th August 2020, 02:56