Thế giới nanô dưới chân tắc kè “Gecko”

Khi chúng ta còn nhỏ, chúng ta thường tìm kiếm những câu hỏi tử tự nhiên xung quanh, có thể là tại sao bầu trời về đêm lại xuất hiện các ngôi sao sáng lấp lánh, hoặc đôi khi ta lại hỏi “chú tắc kè có gì đặc biệt mà chúng lại di chuyển khác chúng ta đến vậy”. Khi ta chỉ có thể đi trên mặt đất, thì chúng lại có thể đi ngược trên bức tường hoặc những cành cây.
Công nghệ nano xuất hiện trong những năm gần đây như một sự hứa hẹn tuyệt vời cho tương lai, trong một góc độ nào đó nó đã cung cấp cho ta lời giải đáp về sự di chuyển của chú tắc kè. Khả năng di chuyển của tắc kè hoặc những động vật khác tương tự như nhện hoặc thằn lằn… là bắt nguồn từ cấu trúc đặc biệt của bàn chân chúng được gọi là cấu trúc lông cứng (setase). Mỗi lông cứng này này tương tác với bề mặt thông qua lực tương tác Van der Waals, mà cụ thể ở đây là lực hút giữa đầu mang điện tích âm của phân tử này với đầu mang điện tích dương của phân tử kia. Mỗi một lông cứng có chiều dài khoảng 1mm và đường kính 5μm, tại mỗi đầu của lông cứng lại bao gồm hàng trăm cấu trúc được gọi là các lá (spatula) với chiều dài 200nm và đường kính 10nm. Với cấu trúc linh hoạt này, nó có thể rất hiệu quả khi tiếp xúc với một bề mặt bất kì với lực tương tác đủ lớn để giữ được trọng lượng của con tắc kè.
Khi đã hiểu được tại sao chú tắc kè lại có thể di chuyển giống “người nhện” như vậy. Chúng ta sẽ lại thắc mắc tiếp là vậy chúng có thể di chuyển trong môi trường ẩm ướt khi mưa không, hoặc khi bức tường bị bẩn, bị mốc…. Và chúng ta lại đi tiếp hành trình trả lời câu hỏi để hiểu biến tự nhiên đẹp đẽ xung quanh ta. Khả năng di chuyển của tắc kè trên một bề mặt bị ướt phụ thuộc vào lực giữa các lông cứng và bề mặt. Trong tài liệu [1], một chân tắc kè nhân tạo với cấu trúc bao gồm các cột nano (nanopillar) PDMS có chiều dài 600 nm và đường kính 400nm. Lực kết dính cho mỗi cột như vậy trong không khí là 39.8±0.2nN, và giảm còn 5.9±0.2nN trong môi trường ướt. Nói chung, điều này cho thấy khả năng di chuyển của tắc kè trong môi trường ướt bị giảm đi khoảng 7 lần. Ví dụ một chú tắc kè với trọng lượng 25g, sẽ có lực trượt (shear force) song song với bề mặt là 10N trong không khí sẽ giảm xuống còn 1.5N trong mỗi trường ướt (giả định ở đây là lực tương tác của lông cứng trong thực tế và lông cứng nhân tạo là giống nhau). Chú ý rằng khối lượng của tắc kè là 25g=0.025kg, nghĩa là lực hập dẫn của chúng với trái đất là 0.025kg*9.8N/kg=0.245N, lực này là rất nhỏ so với 1.5N khi chú tắc kè di chuyển trong môi trường ướt. Vì vậy, chúng vẫn có thể di chuyển trong môi trường ướt mặc dù khả năng di chuyển bị giảm đi đáng kể.
Trong thực tế, chú tắc kè còn có khả năng nữa, đó là ép nước ra khỏi giữa các lông cứng [2]. Trong tài liệu [2] cũng cho thấy khả năng di chuyển của tắc kè bị giảm 6 lần khi chìm hẳn trong nước. Trong cả hai trường hợp trên, khả năng di chuyển của tắc kè chỉ bị giảm bớt, và chúng vẫn có thể di chuyển được.
Một câu hỏi đặt ra là khả năng di chuyển của tắc kè trong môi trường bụi bẩn, mà trên thực tế thì chú thằn lằn không bao giờ cần làm sạch chân của mình. Trong tài liệu [2] cho rằng những hạt bụi nhỏ bám dính và tường lớn hơn khả năng bám dính của các lông cứng, tuy nhiên điều này mâu thuẫn với các băng dính khô (là loại băng dính mô phỏng theo cấu trúc chân tắc kè) nhân tạo bị mất khả năng bám dính sau khi dính nhiều lần trên bề mặt bụi bẩn. Do đó có thể khả năng di chuyển của tắc kè trong môi trường bụi bẩn bị giảm đi, tuy nhiên chúng vẫn có thể di chuyển được.
Sự hiểu biến tự nhiên sẽ cho ta các ứng dụng to lớn. Từ câu chuyện bàn chân tắc kè, một ngành công nghiệp keo khô (dry glue) ra đời. Chúng sẽ thay thế các chất kết dính ướt đang sử dụng trong y tế, kỹ thuật… trong tương lai. Chúng có thể làm việc trong các điều kiện môi trường ướt/khô, hoặc trong các điều kiện khắc nhiệt như nhiệt độ cao, áp suất cao… Và biết đâu tương lai chúng ta sẽ có một bộ áo của người nhện thực sự.

Wow, tôi thực sự ấn tượng vì chân chú tắc kè cũng có 5 ngón.🙂


[1] Haeshin Lee, Bruce P. Lee, Phillip B. Messersmith, “A reversible wet/dry adhesive inspired by mussels and geckos”, Nature, Vol 448, p338-341, (2007).
[2] B.N.J. Persson “Biological Adhesion for Locomotion on Rough Surfaces: Basic Principles and A Theorist’s View”, MRS Bulletin, Vol 32, p486-490, (2007).

2 comments

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s