Lấy cảm hứng từ loài nhện thủy sinh (nhện thủy sinh Argyroneta), các nhà nghiên cứu đã phát triển một bề mặt siêu kỵ nước với khung gầm ổn định có thể tồn tại nhiều tháng dưới nước. Những bề mặt như vậy có thể được sử dụng trong các lĩnh vực y sinh, chẳng hạn như giảm nhiễm trùng phẫu thuật và trong các lĩnh vực công nghiệp, chẳng hạn như ngăn ngừa ăn mòn đường ống.

Một loài nhện sống cả đời dưới nước, mặc dù phổi của nó chỉ có thể hít thở oxy trong khí quyển. Nó được thực hiện như thế nào? Con nhện có tên Argyroneta Aquas có hàng triệu sợi lông thô ráp, kỵ nước trên cơ thể. Những sợi lông này giữ không khí xung quanh cơ thể nhện, tạo thành nguồn dự trữ oxy và hoạt động như một rào cản giữa phổi và nước của nhện.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học vật liệu đã cố gắng khai thác sức mạnh bảo vệ của lớp không khí mỏng này. Làm như vậy sẽ tạo ra các bề mặt siêu kỵ nước dưới nước giúp ngăn chặn sự ăn mòn, sự phát triển của vi khuẩn, sự bám dính của sinh vật biển, ô nhiễm hóa học và các tác hại khác của chất lỏng trên bề mặt. Nhưng hóa ra plastron cực kỳ không ổn định dưới nước và chỉ có thể khô trên bề mặt trong vài giờ trong phòng thí nghiệm.

Hiện nay, một nhóm nghiên cứu do Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Harvard John A. Paulson (SEAS), Viện Kỹ thuật Lấy cảm hứng Sinh học Wyss của Harvard, Đại học Friedrich-Alexander-Nuremberg, Đức và Đại học Aalto, Phần Lan dẫn đầu, đã phát triển một bề mặt siêu kỵ nước với màng plasma ổn định có thể tồn tại trong nước trong nhiều tháng. Chiến lược tổng thể của nhóm là tạo ra các bề mặt siêu kỵ nước dưới nước lâu dài giúp đẩy máu và làm giảm hoặc ngăn chặn đáng kể sự bám dính của vi khuẩn và sinh vật biển như hà và trai, mở ra một loạt ứng dụng trong y sinh và công nghiệp.

"Nghiên cứu vật liệu lấy cảm hứng từ sinh học là một lĩnh vực cực kỳ thú vị, tiếp tục mang đến những giải pháp tinh tế phát triển trong tự nhiên cho lĩnh vực vật liệu nhân tạo, cho phép chúng tôi giới thiệu những vật liệu mới với những đặc tính chưa từng thấy trước đây", đồng tác giả của bài báo, SEA cho biết, Joanna Aizenberg, Giáo sư Khoa học Vật liệu Amy Smith Berylson và Giáo sư Hóa học và Sinh học Hóa học. “Nghiên cứu này chứng minh rằng việc khám phá ra những nguyên tắc này có thể dẫn đến sự phát triển của các bề mặt siêu kỵ nước trong nước”.

Aizenberg cũng là giảng viên cộng tác tại Viện Wyss. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Vật liệu thiên nhiên.

Các nhà nghiên cứu đã biết từ 20 năm nay rằng về mặt lý thuyết, khung gầm ổn định dưới nước là có thể thực hiện được, nhưng cho đến nay, họ vẫn chưa thể chứng minh điều đó bằng thực nghiệm.

Một trong những vấn đề lớn nhất với Plastron là chúng cần có bề mặt gồ ghề để hình thành, giống như lông của loài Argyroneta Aquas. Nhưng độ nhám này làm cho bề mặt không ổn định về mặt cơ học, dễ bị ảnh hưởng bởi bất kỳ nhiễu loạn nhỏ nào về nhiệt độ, áp suất hoặc những khiếm khuyết nhỏ.

Bề mặt ưa khí được làm bằng hợp kim titan rẻ tiền và phổ biến có màng plasma bền lâu và vẫn khô sau hàng trăm lần nhúng vào đĩa nuôi cấy máu. Nguồn hình ảnh: Alexander B. Tesler/Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

TAGP H74Innovative Technologies and Discovery

Các kỹ thuật hiện tại để đánh giá các bề mặt siêu kỵ nước được sản xuất nhân tạo chỉ xem xét hai tham số và không cung cấp đủ thông tin để giải thích sự ổn định của các hạt không khí dưới nước. Aizenberg, Jaakko V.I. Timonen và Robin H.A. Ras từ Đại học Aalto, Alexander B. Tesler và Wolfgang H. Goldmann từ Đại học Florida và nhóm của họ đã xác định được nhiều thông số hơn, bao gồm độ nhám bề mặt, tính kỵ nước của các phân tử bề mặt, độ che phủ bề mặt, góc tiếp xúc và các thông tin khác.

Bằng cách sử dụng phương pháp mới này và một kỹ thuật chế tạo đơn giản, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một bề mặt được gọi là ưa khí bằng hợp kim titan rẻ tiền, được sử dụng phổ biến, có màng plasma bền lâu giúp giữ cho bề mặt khô ráo trong hàng nghìn giờ tốt hơn so với các thí nghiệm trước đây và thậm chí tồn tại lâu hơn màng plasma của các loài sinh vật.

Tesler, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại SEAS và Viện Wyss, đồng thời là tác giả đầu tiên của bài báo, cho biết: "Chúng tôi đã sử dụng phương pháp mô tả đặc tính do các nhà lý thuyết đề xuất cách đây 20 năm để chứng minh rằng bề mặt của chúng tôi ổn định. Điều đó có nghĩa là chúng tôi không chỉ tạo ra một loại chất chống thấm cực mới, một bề mặt siêu thấm nước cực kỳ bền và có cách để chúng tôi có thể làm lại điều đó với các vật liệu khác nhau. "

Để chứng minh tính ổn định của chùm khói, các nhà nghiên cứu đã thực hiện nhiều thử nghiệm khác nhau trên bề mặt của nó - uốn cong, xoắn nó, phun nước nóng và lạnh, đồng thời đánh bóng bằng cát và thép để ngăn bề mặt của nó không còn ưa khí. Nó được ngâm trong nước suốt 208 ngày và hàng trăm lần trong đĩa petri máu. Nó làm giảm đáng kể sự phát triển của E. coli và hà trên bề mặt của nó và ngăn chặn hoàn toàn trai bám vào.

"Tính ổn định, đơn giản và khả năng mở rộng của hệ thống này khiến nó trở nên rất có giá trị trong các ứng dụng thực tế", Stefan Kolle, đồng tác giả của bài báo, cho biết. “Với các phương pháp mô tả đặc tính được trình bày ở đây, chúng tôi cho thấy rằng có thể sử dụng một bộ công cụ đơn giản để tối ưu hóa các bề mặt siêu kỵ nước nhằm mang lại sự ổn định, điều này làm thay đổi đáng kể không gian ứng dụng.”

Không gian ứng dụng này bao gồm các ứng dụng y sinh để giảm nhiễm trùng sau phẫu thuật hoặc dưới dạng cấy ghép có thể phân hủy sinh học như ống đỡ động mạch, Goldman, tác giả chính của bài báo và là cựu nhà nghiên cứu của Đại học Harvard, cho biết. Nó cũng có thể được sử dụng dưới nước để bảo vệ đường ống và cảm biến khỏi bị ăn mòn. Trong tương lai, nó thậm chí có thể được kết hợp với lớp phủ siêu trơn gọi là SLIPS (bề mặt xốp truyền chất lỏng) mà Eisenberg và nhóm của cô đã phát triển hơn một thập kỷ trước để bảo vệ bề mặt khỏi bị ô nhiễm hơn nữa.