Lấy cảm hứng từ loài nhện sống dưới nước, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một loại vật liệu bề mặt mới có thể khô dưới nước trong nhiều tháng và có khả năng chống lại sự bám dính của vi khuẩn và sinh vật biển như hàu. Họ cho biết vật liệu bề mặt này dễ sản xuất, có thể mở rộng và có ứng dụng thực tế rộng rãi.

Những gì hoạt động tốt trong tự nhiên thường cũng có thể được con người sử dụng. Vấn đề là tạo ra các vật liệu lấy cảm hứng sinh học cần thiết bằng cách sử dụng các công cụ hiện có, điều này đôi khi nói dễ hơn làm.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu do Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John Paulson (SEAS) thuộc Đại học Harvard dẫn đầu đã làm được điều đó, phát triển bề mặt kim loại siêu kỵ nước lấy cảm hứng từ một con nhện sống dưới nước; nghĩa là nó đẩy nước và có thể khô dưới nước trong nhiều tháng.

Joanna Aizenberg, một trong những đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết: "Nghiên cứu vật liệu lấy cảm hứng từ sinh học là một lĩnh vực cực kỳ thú vị, tiếp tục đưa các giải pháp tinh vi được phát triển trong tự nhiên vào lĩnh vực vật liệu nhân tạo, cho phép chúng tôi giới thiệu các vật liệu mới với các đặc tính chưa từng có. Nghiên cứu này minh họa việc khám phá ra những nguyên tắc này có thể dẫn đến sự phát triển của các bề mặt siêu kỵ nước dưới nước".

Argyroneta Aquas, còn được gọi là nhện chuông lặn, là loài nhện duy nhất được biết đến sống gần như hoàn toàn dưới nước. Hàng triệu nhung mao thô, kỵ nước bẫy không khí xung quanh cơ thể, tạo ra một nguồn dự trữ oxy và tạo ra một rào cản giữa phổi của nhện và nước. Lớp không khí mỏng bị giữ lại bởi lông nhện được gọi là yếm.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã biết rằng về mặt lý thuyết có thể tạo ra một khung gầm ổn định dưới nước. Tuy nhiên, trên thực tế, việc tạo ra một bề mặt gồ ghề như nhện chuông lặn sẽ làm cho bề mặt kém bền về mặt cơ học và dễ bị ảnh hưởng bởi những thay đổi nhỏ về nhiệt độ và áp suất. Và trong các thí nghiệm trước đây, bề mặt chỉ có thể khô trong vài giờ.

Các nhà nghiên cứu biết rằng khả năng thấm ướt rất nhạy cảm với các đặc tính bề mặt ở cấp độ phân tử và bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi địa hình bề mặt. Vì vậy, họ đã tạo ra một bề mặt titan ưa khí – tức là một bề mặt thu hút và đẩy ra các bọt khí hoặc khí – và sử dụng quá trình oxy hóa điện hóa để tạo thành một lớp oxit trong khi hòa tan các oxit tạo thành về mặt hóa học để tạo ra độ nhám ở quy mô nanomet.

Để kiểm tra độ ổn định của bề mặt này, các nhà nghiên cứu đã cho nó uốn cong, xoắn, phun nước nóng và lạnh cũng như mài mòn cát và thép và nhận thấy rằng nó vẫn ưa khí. Nó được ngâm liên tục trong nước hơn 208 ngày (tại thời điểm công bố nghiên cứu, bề mặt vẫn được ngâm trong nước, không có dấu hiệu phân hủy) và hàng trăm lần trong đĩa Petri chứa đầy máu. Bề mặt làm giảm đáng kể sự phát triển của E. coli và hà và ngăn chặn hoàn toàn trai bám vào.

Alexander Tesler, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, cho biết: "Chúng tôi đã chứng minh rằng bề mặt của chúng tôi ổn định bằng cách sử dụng phương pháp mô tả đặc tính do các nhà lý thuyết đề xuất 20 năm trước. Điều đó có nghĩa là chúng tôi không chỉ tạo ra một loại bề mặt siêu thấm nước cực kỳ bền, cực kỳ bền mà còn có thể làm lại điều đó với các vật liệu khác nhau."

Bề mặt này có nhiều công dụng, các nhà nghiên cứu cho biết. Nó có thể được sử dụng trong thiết bị y sinh để giảm nhiễm trùng sau phẫu thuật hoặc ngăn chặn sự ăn mòn của các đường ống và cảm biến dưới nước. Nó cũng có thể được sử dụng với một vật liệu lấy cảm hứng sinh học khác do nhóm SEAS phát triển hơn 10 năm trước, được gọi là công nghệ bề mặt xốp truyền chất lỏng hoạt dịch (SLIPS).

Stefan Kolle, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết: "Tính ổn định, đơn giản và khả năng mở rộng của hệ thống này khiến nó rất có giá trị trong các ứng dụng trong thế giới thực. Với phương pháp mô tả đặc tính được trình bày ở đây, chúng tôi trình bày một bộ công cụ đơn giản cho phép bạn tối ưu hóa các bề mặt siêu kỵ nước để đạt được độ ổn định, điều này làm thay đổi đáng kể không gian ứng dụng của bạn."

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Vật liệu thiên nhiên. Hai video sau đây do SEAS sản xuất cho thấy bề mặt mới này có khả năng đẩy nước và máu như thế nào.