Vật liệu siêu bền lấy ý tưởng từ tôm bọ ngựa

Tôm bọ ngựa là một sinh vật rất đặc biệt trong tự nhiên. Với cặp càng tiến hóa thành dạng chùy hoặc giáo, tôm bọ ngựa có thể "đấm" chết con mồi với gia tốc ra đòn dưới nước lên đến 100.000 m/s2 - nhanh hơn cả gia tốc của một viên đạn 22 cal. Qua việc tìm hiểu những bí ẩn đằng sau thứ vũ khí lợi hại này của tôm bọ ngựa, một nhóm nghiên cứu đến từ California hy vọng có thể phát triển thành công một loại vật liệu cải tiến, công nghệ cao với trọng lượng và độ dày chỉ bằng 1/3 so với vật liệu chế tạo áo giáp hiện có.

Tôm bọ ngựa còn có nhiều tên gọi khác như tôm tít, tôm tích, tôm thuyền hay tôm búa nhưng đều mô tả một loài giáp xác sống ở biển thuộc bộ tôm chân miệng có tên khoa học là Stomatopoda. Chúng không hẳn là tôm cũng không phải là bọ ngựa, chúng giống cả 2. Tôm bọ ngựa thường sống cô độc nên hành vi của chúng rất hung hăng, đặc biệt là khi được thiên phú cho cặp càng có một không hai. Khi tấn công con mồi, tôm bọ ngựa vung cặp càng với tốc độ từ 0 đến 80 km/h chỉ trong 1/3000 giây ngay bên dưới mặt nước vào con mồi. Thêm vào đó, do tốc độ vung càng rất nhanh, tôm bọ ngựa tạo ra những bong bóng khí nằm trong khoảng không gian giữa càng và thân con mồi. Khi bong bóng vỡ ra, chúng tạo ra một lực cộng thêm vào lực tác động khoảng 1500 N vào con mồi. Con mồi sẽ chết hoặc bị trọng thương do cả 2 loại lực xuất phát từ cặp càng của tôm bọ ngựa. Ngay cả khi tôm bọ ngựa đấm hụt thì áp suất từ bong bóng cũng đủ làm bất tỉnh hoặc giết chết con mồi. Video dưới đây sẽ cho chúng ta thấy sức mạnh của loài động vật nhỏ bé này.

Trong video, tôm bọ ngựa đấm thủng cả vỏ sò và theo nhiều người nuôi tôm bọ ngựa làm kiểng, đôi khi nó còn đấm nứt cả kiếng bể. Câu hỏi đặt ra là làm cách nào cặp càng của tôm bọ ngựa không bị thương khi đấm vào những con mồi hay vật thể cứng như vỏ sò hay bể kiếng. Trên thực tế, cặp càng của tôm bọ ngựa thực hiện khoảng 50.000 cú đấm trong suốt quãng đời của nó. Vậy làm thế nào tôm có thể bảo toàn cấu trúc của càng qua nhiều "trận chiến"? Phó giáo sư David Kisailus đến từ đại học California, Riverside đã quyết định đi tìm câu trả lời.

Kisailus phát hiện ra rằng càng của tôm có một cấu trúc rất phức tạp gồm 3 vùng có chức năng riêng, hoạt động cùng nhau để tạo ra một cấu trúc bền hơn rất nhiều so với những loại gốm gia cố hiện nay.

Đầu tiên là khu vực chịu tác động có độ dày 1 mm và chứa một lượng khoáng chất có độ tập trung cao, tương tự như những gì có trong xương người. Tuy nhiên, khu vực này còn có các tinh thể được sắp xếp vuông góc với bề mặt tiếp nhận tác động để giảm thiểu các vết nứt.

Sâu hơn bên trong, những lớp sợi chitin được bố trí với mật độ dày đặc và hoạt động như các bộ giảm chấn. Sợi chitin được sắp xếp trong một cấu trúc xoắn ốc để làm chậm sự lan tỏa của các đường nứt gãy. Đây chính là bí ẩn đằng sau cặp càng của tôm: cấu trúc xoắn ốc khiến lực đứt gãy chuyển hướng liên tục, qua đó làm phân tán lực và nhanh chóng ngăn lực truyền đi.

Sau cùng, càng tôm được kết nang ở các mặt nhờ sự bao bọc xung quanh của sợi chitin, giúp ngăn ngừa tình trạng sứt mẻ mỗi khi ra đòn.

Kisailus cho biết nghiên cứu trên sẽ mở ra rất nhiều tiềm năng ứng dụng. Ví dụ như xe điện hay máy bay sẽ nhẹ hơn qua đó giảm bớt mức tiêu thụ nhiên liệu cũng như vỏ chịu lực tốt hơn sẽ cắt giảm chi phí bảo trì, v.v... Tuy nhiên, Kisailus vẫn tập trung vào việc cải tiến áo giáp bảo vệ dùng trong quân đội. Mục tiêu hàng đầu của anh là phát triển một loại vật liệu nhẹ và mỏng hơn 1/3 lần so với áo giáp thông thường. Hiện tại, công việc nghiên cứu vẫn đang được Kisailus và nhà nghiên cứu Pablo Zavattieri đến từ đại học Purdue xúc tiến. Họ muốn hiểu rõ hơn về cấu trúc của càng tôm bọ ngựa và tiếp tục thiết kế các vật liệu lấy ý tưởng từ cấu trúc này. Được biết, nghiên cứu của họ đã được Văn phòng nghiên cứu khoa học thuộc không quân Hoa Kỳ tài trợ 590.000 USD.