Nhiều nhà khoa học mong muốn tìm hiểu khả năng phi thường của loài nhện trong việc tạo ra những sợi tơ cực kỳ bền, nặng và linh hoạt. Trên thực tế, tơ nhện bền hơn thép và cứng hơn Kevlar. Tuy nhiên, vẫn chưa có ai có thể lặp lại công việc của con nhện.
Nếu chúng ta có thể phát triển vật liệu tổng hợp với những đặc tính này, thì có thể sẽ có một thế giới hoàn toàn mới: tơ nhện nhân tạo có thể thay thế các vật liệu như Kevlar, polyester và sợi carbon trong công nghiệp, ví dụ như trong sản xuất áo chống đạn nhẹ, linh hoạt.
Irina Iachina, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ và nhà lý sinh tại Khoa Hóa sinh và Sinh học phân tử thuộc Đại học Nam Đan Mạch (SDU), đã tham gia cuộc đua tìm ra công thức siêu tơ nhện. Cô bắt đầu say mê với tơ nhện khi đang học thạc sĩ tại Đại học Nam Đan Mạch và hiện đang nghiên cứu chủ đề này tại MIT ở Boston với sự hỗ trợ của Quỹ Villum.
Là một phần của nghiên cứu, cô đang cộng tác với nhà lý sinh học Jonathan Brewer, phó giáo sư tại Đại học Nam Đan Mạch và là chuyên gia sử dụng nhiều loại kính hiển vi khác nhau để quan sát các cấu trúc sinh học.
Bây giờ, lần đầu tiên họ cùng nhau sử dụng kính hiển vi ánh sáng để nghiên cứu cấu trúc bên trong của tơ nhện mà không cần phải cắt hay mở nó bằng bất kỳ cách nào. Những phát hiện này hiện đã được công bố trên tạp chí Scientific Reports and Scan.
Jonathan Brewer giải thích: "Chúng tôi đã sử dụng một số kỹ thuật kính hiển vi tiên tiến và cũng đã phát triển một kính hiển vi quang học mới cho phép chúng tôi nhìn thấy toàn bộ bên trong các sợi."
Cho đến nay, tơ nhện đã được phân tích bằng nhiều kỹ thuật khác nhau, tất cả đều cung cấp những hiểu biết mới. Tuy nhiên, như Jonathan Brewer đã chỉ ra, những kỹ thuật này cũng có nhược điểm, vì chúng thường yêu cầu cắt các sợi (còn gọi là sợi) thành nhiều phần để thu được mặt cắt ngang cho kính hiển vi hoặc đông lạnh mẫu, điều này có thể làm thay đổi cấu trúc của sợi tơ.
Irina-Iachina (Irina Iachina) cho biết: "Chúng tôi muốn nghiên cứu các loại sợi nguyên chất chưa bị cắt, đông lạnh hoặc chế tác khác." Để làm được điều này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các kỹ thuật ít xâm lấn hơn như tán xạ Raman phản Stokes kết hợp, kính hiển vi đồng tiêu, kính hiển vi mất huỳnh quang phản xạ đồng tiêu siêu phân giải, kính hiển vi quét ion helium và phún xạ ion helium.
Các nghiên cứu khác nhau đã chỉ ra rằng sợi tơ nhện được cấu tạo từ ít nhất hai lớp lipid bên ngoài (tức là chất béo). Phía sau chúng, tức là bên trong các sợi, có rất nhiều cái gọi là sợi, được sắp xếp thành những đường thẳng và sát cạnh nhau (xem hình minh họa). Đường kính của sợi nằm trong khoảng từ 100 đến 150, thấp hơn giới hạn đo của kính hiển vi quang học thông thường.
Iachina nói: "Chúng không bị xoắn nhiều như mọi người nghĩ, vì vậy giờ đây chúng tôi biết rằng không cần phải xoắn chúng khi cố gắng tạo ra tơ nhện tổng hợp."
Iachina và Brewer đã sử dụng sợi tơ nhện từ loài nhện có quỹ đạo vàng Madagascar (Neph) ila Madagascariensis), loài nhện này sản xuất ra hai loại tơ nhện khác nhau: một loại gọi là MAS (Major Ampullate Silkfibers), dùng để dệt mạng nhện và cũng là loại tơ được nhện dùng để treo, có thể coi là huyết mạch của loài nhện; nó rất chắc chắn và có đường kính khoảng 10 micron.
Loại còn lại gọi là MiS (Sợi tơ lụa Ampullate nhỏ), là vật liệu phụ trợ cho xây dựng. Nó đàn hồi hơn và thường có đường kính 5 micron. Theo phân tích của cặp đôi, tơ MAS chứa các sợi có đường kính khoảng 145 nanomet. Đường kính của MiS là khoảng 116 nanomet. Mỗi chất xơ được tạo thành từ protein và có nhiều loại protein khác nhau liên quan. Những protein này được nhện tạo ra khi chúng tạo ra sợi tơ.
Hiểu cách họ tạo ra những sợi chắc chắn như vậy là rất quan trọng, nhưng việc tạo ra những sợi như vậy cũng là một thách thức. Vì vậy, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này thường dựa vào loài nhện để sản xuất tơ cho chúng.
Ngoài ra, họ có thể chuyển sang các phương pháp tính toán, đó là điều mà Irina-Ichna hiện đang làm tại MIT: "Hiện tại, tôi đang thực hiện mô phỏng trên máy tính về cách protein được chuyển đổi thành tơ. Tất nhiên, mục tiêu là học cách sản xuất tơ nhện nhân tạo, nhưng tôi cũng quan tâm đến việc giúp mọi người hiểu rõ hơn về thế giới xung quanh chúng ta."