Trên bãi biển phía bắc Nhật Bản, sóng liên tục vỗ vào một chú vịt cao su bướng bỉnh mắc chặt vào tảng đá. Nhờ lớp hydrogel siêu dính mới bao quanh phần đáy, món đồ chơi này không hề nhúc nhích.
Hydrogel là loại vật liệu mềm, dạng thạch, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Trong y học, chúng có thể băng vết thương và đưa thuốc vào cơ thể. Trong nông nghiệp, chúng giúp đất giữ nước tốt hơn. Nhưng tạo ra các chất có khả năng bám dính mạnh vốn đã khó—và dùng dưới nước thì còn khó hơn. Các loại keo thông thường sẽ không bám tốt trong môi trường ẩm ướt và mặn của sóng biển.
Các nhà nghiên cứu đã phủ lớp hydrogel siêu dính mới lên đáy của một chú vịt cao su và đặt nó lên một tảng đá ngoài biển. Theo họ, chú vịt có thể bám ở đó nhiều năm.
Tuy nhiên, thiên nhiên đã có giải pháp từ lâu. Các sinh vật như con hà và trai vẹm tự nhiên tạo ra các loại protein giúp chúng bám vào bề mặt ướt. Lấy cảm hứng từ khả năng bám dính này, các nhà khoa học đã nghiên cứu cấu trúc protein của những loài này để bắt chước đặc điểm dính nhất của chúng. Sau đó, họ tích hợp các cấu trúc protein này vào hydrogel và tiến hành thử nghiệm.
Sau nhiều thí nghiệm, nhóm đã đưa dữ liệu vào một hệ thống máy học để thiết kế loại hydrogel có khả năng bám dính mạnh hơn nữa. Hệ thống này đã đưa ra ba thiết kế siêu dính khác nhau, mỗi loại có cấu trúc protein riêng, được công bố tuần này trên tạp chí Nature.
Jonathan Barnes, nhà khoa học chuyên về polymer tại Đại học Washington ở St. Louis (người không tham gia nghiên cứu), ấn tượng với độ bền của các hydrogel cải tiến. Trong một thí nghiệm, nhóm đã dùng một loại gel để dán các cặp tấm vật liệu (làm từ gốm, thủy tinh và titan) trong bể nước muối, mỗi cặp treo một vật nặng một kilogram bên dưới. Keo giữ chặt trong hơn một năm. “Giữ được hơn một năm là điều đáng kinh ngạc,” Barnes nói.
Cả ba loại hydrogel do trí tuệ nhân tạo thiết kế đều cho thấy độ bám tương tự trong môi trường nước biển nhân tạo. Nhưng một loại vượt trội hơn khi thử trong nước khử ion (loại nước không có điện tích và không tồn tại trong tự nhiên). Sự khác biệt này cho thấy một số loại vật liệu bám dính có thể phù hợp với từng môi trường cụ thể hơn.
“Chúng tôi đang điều chỉnh sự khác biệt này và thử nghiệm trong nhiều điều kiện khác nhau,” đồng tác giả Jian Ping Gong, nhà khoa học polymer tại Đại học Hokkaido (Nhật Bản) cho biết. “Chúng tôi cũng muốn cải tiến và tìm ra công thức có thể hoạt động trên kim loại chẳng hạn.”
Sau khi tổng hợp các loại gel siêu dính, nhóm đã mang hai loại ra thử nghiệm thực tế. Họ dùng một loại để bịt kín lỗ ở đáy đường ống dài ba mét chứa nước máy, mô phỏng tình huống rò rỉ áp suất cao. Loại còn lại được dùng để gắn chú vịt cao su vào tảng đá ngoài biển nhằm kiểm tra khả năng hoạt động trong nước mặn. Một ngày nào đó, các loại gel này có thể giúp tạo da nhân tạo hoặc sửa chữa các công trình dưới nước và ngoài khơi.
“Nghiên cứu này mở ra tiềm năng cho các loại keo dán trong môi trường ướt bền hơn, nhanh hơn và đáng tin cậy hơn—cho y học, hạ tầng biển và sửa chữa khẩn cấp,” Ximin He, nhà khoa học vật liệu nghiên cứu vật liệu lấy cảm hứng từ sinh học tại Đại học California, Los Angeles (người cũng không tham gia nghiên cứu), cho biết. “Phương pháp thiết kế dựa trên dữ liệu mà họ dùng có thể rút ngắn con đường từ ý tưởng đến vật liệu cho nhiều ứng dụng trong đời sống hàng ngày.”
Một chú vịt cao su được dán vào tảng đá ngoài biển bằng hydrogel của nhóm n
