Màng sinh học (biofilm) được xem như “những công nhân xây dựng”

Hình 1. Tảo đỏ di chuyển về phía ánh sáng và tiết hàng loạt các phân tử đường. Nhờ vào mô hình ánh sáng thay đổi theo thời gian, các nhà khoa học đã thu nhận được những khuôn mẫu theo yêu cầu từ những sợi polymer mảnh và dài, các khuôn mẫu này được sử dụng để sản xuất các hợp chất ceramic chức năng. Nguồn: Opdenbosch/TUM.

Màng sinh học (biofilm) nói chung bị xem là một vấn đề cần phải loại bỏ do những nguy hại chúng gây ra cho con người và các loại vật liệu. Tuy nhiên, những quần xã tảo, nấm hay vi khuẩn này lại sở hữu những đặc tính rất thú vị cả về quan điểm khoa học lẫn kỹ thuật. Một nhóm các nhà khoa học từ Đại Học Kỹ Thuật Munich (Technical University of Munich – TUM) đã mô tả các quá trình sinh học sử dụng biofilm như “các công nhân xây dựng” để tạo ra các khuôn cấu trúc cho các vật liệu mới, những vật liệu này mang những đặc tính của các vật liệu tự nhiên. Trong quá khứ, việc này chỉ có thể xảy ra ở một phạm vi giới hạn.

Dù là gỗ, xương, ngọc trai hay là răng – qua hàng triệu năm, những vật liệu này đã được tối ưu hóa nhờ vào quá trình tiến hóa tuân theo nguyên lý ổn định thích nghi với trọng lượng nhỏ nhất có thể. Tự nhiên đã cung cấp những bản thiết kế chi tiết cho nhiều phát minh kỹ thuật. Các ví dụ bao gồm cánh máy bay, dây kéo và chất keo dán bề mặt sử dụng hiệu ứng lá sen (lotus effect). Tuy nhiên, những bản sao được tạo ra nhờ công nghệ đảo ngược (reverse engineering) không thể bắt chước sự phức tạp về cấu trúc của các vật liệu gốc trong tự nhiên.

Giáo sư Cordt Zollfrank, chuyên về Polymer có nguồn gốc sinh vật (Biogenic Polymers), người thực hiện nghiên cứu về các nguyên lý cơ bản để phát triển các vật liệu mới cùng với nhóm của mình thuộc Trung Tâm Nghiên Cứu Về Công Nghệ Sinh Học Và Bền Vững Campus Straubing ở TUM cho biết: “Trong tự nhiên, chúng ta tìm thấy nhiều loại vật liệu với các đặc tính mà các vật liệu nhân tạo không thể sao chép một cách chính xác”

Những vấn đề lớn nhất nằm ở cấp độ nhỏ nhất

Là giao thoa giữa sinh học và công nghệ, ngành phỏng sinh học (bionics) sử dụng các phương pháp và hệ thống được tìm thấy trong tự nhiên để cung cấp các giải pháp cho các vấn đề kỹ thuật. Khi ngành khoa học này vẫn còn bị giới hạn trong sử dụng các hình dạng tự nhiên, ví dụ như các khuôn mẫu dùng để phát triển trong thiết kế cánh máy bay hay vỏ tàu, các vấn đề này vẫn có thể kiểm soát. Tuy nhiên, bắt chước các đặc tính của các vật liệu có cấu trúc tự nhiên là một câu chuyện hoàn toàn khác. Bởi vì những đặc tính này được tìm thấy ở các cấu trúc bên trong, nơi mà các sợi cấu trúc được nối với nhau qua hàng loạt cấp độ và được sắp xếp theo thứ bậc.

Tiến sĩ Daniel Van Opdenbosch, một trong những tác giả của nghiên cứu trình bày vấn đề chính khi nỗ lực chuyển đổi chúng thành các giải pháp kỹ thuật: “Thường thì nguồn gốc chủ yếu của các đặc tính cơ học như tính đàn hồi, độ bền và độ dẻo dai được tìm thấy ở cấp độ nhỏ nhất của các hệ thống thứ bậc này, cụ thể là ở cấp độ nano”. Tuy nhiên, khi bản thân các vi sinh vật hoặc các chất tiết của chúng tạo nên một loại vật liệu, các mạng lưới cực kỳ phức tạp về mặt kỹ thuật này đã được hình thành đầy đủ.

Tương lai của ngành phỏng sinh học

Trong một bài báo trên tạp chí Advanced Materials, các nhà nghiên cứu tại TUM đã trình bày một loạt các quy trình về lĩnh vực sinh học. Các quy trình này sử dụng ánh sáng, nhiệt độ, các cơ chất được chuẩn bị đặc biệt và các chất kích thích khác để hướng dẫn các vi sinh vật di chuyển dọc theo những con đường rất chuyên biệt. Giáo sư Cordt Zollfrank cho biết: “Những bằng chứng sinh học về kiểm soát các vi sinh vật nhờ các tác nhân kích thích này sẽ định hình tương lai của các nghiên cứu về vật liệu”. Đó là bởi vì chúng ta có thể tạo ra những khuôn mẫu cho các vật liệu mới với các cấu trúc tự nhiên từ bản thân các vi sinh vật hoặc các chất tiết của chúng. Ông cho biết thêm: “Với bài báo của mình, chúng tôi muốn chỉ ra hướng đi mà hành trình này sẽ đưa chúng tôi đi trong lĩnh vực khoa học vật liệu”.

Mô hình không tiếp xúc

Daniel Van Opdenbosch và nhóm của mình đang tận dụng thành công một vài trong số các phương pháp này ở Straubing. Là một phần của dự án Reinhart Koselleck thuộc Quỹ Nghiên Cứu Đức (German Research Foundation - DFG), các nhà khoa học đang sử dụng các đặc tính đặc biệt của tảo đỏ, hướng di chuyển của chúng phụ thuộc vào độ phơi sáng và các phân tử đường được tiết ra bên ngoài. Bằng cách đưa mô hình ánh sáng thay đổi theo thời gian vào môi trường tăng trưởng của tảo, các nhà nghiên cứu đã sử dụng chúng để tạo các sợi polymer mảnh và dài. Các sợi polymer này được sử dụng làm khuôn mẫu để sản xuất các hợp chất ceramic chức năng.

Với sự trợ giúp của tảo đỏ, một số khuôn mẫu có thể được tạo ra cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ các điện cực của pin, các công nghệ màn hình mới cho đến các ứng dụng trong y học như mô và xương thay thế. Mặc dù khả năng phát triển các vi cấu trúc phức tạp như các thành phần nguyên vẹn và các vật liệu có cấu trúc được sắp xếp theo thứ bậc vẫn là một con đường dài trong tương lai, nhưng nó cũng có thể sớm trở thành một thực tế hữu hình nhờ vào các nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà khoa học tại Straubing.

Nguồn: https://www.tum.de/en/about-tum/news/press-releases/detail/article/34376/