Loài trai tạo ngọc có thể giúp cải tiến điện thoại gập

Bộ phận quan trọng bậc nhất của điện thoại cùng các thiết bị gập là bản lề. Đóng mở chúng nhiều lần khiến bản lề hư hỏng dần, điều này đặt ra yêu cầu phải có mối nối tốt hơn.

Thế giới động vật có thể đem lại giải pháp cải thiện vấn đề này. Cảm hứng thiết kế là động vật hai mảnh vỏ như trai, sò, hến với khả năng đóng mở hàng trăm nghìn lần mà chẳng hề hấn gì.

Một nhóm nhà sinh vật học và vật liệu học tập trung vào loài trai vỏ mỏng (Cristaria plicata). Trong nghiên cứu của mình công bố trên tạp chí Science, họ không chỉ giải mã mà còn sao chép cấu trúc bản lề nối hai mảnh vỏ bằng sợi thủy tinh kết hợp vài vật liệu hiện đại khác.

Loài trai vỏ mỏng được tìm thấy ở nhiều vùng nước ngọt khắp Đông Bắc Á. Thợ thủ công Trung Quốc thời cổ đại biết dùng chúng tạo ngọc: mở vỏ, nhét vật thể nhỏ bằng hạt cườm vào rồi đóng lại, trai sẽ tiết ra chất dịch (xà cừ) bọc quanh vật thể cho ra ngọc.

Từ lâu lớp xà cừ đã thu hút sự chú ý của giới khoa học vật liệu. Dù chỉ là canxi cacbonat giòn tên aragonit, nhưng các “viên gạch” aragonit được liên kết chặt chẽ với nhau bằng “vữa” protein khiến xà cừ có độ bền cùng khả năng hồi phục đáng kinh ngạc.

Chuyên gia cơ sinh học Rachel Crane (Đại học California) cho biết rất nhiều nhà nghiên cứu sao chép phần nào đó cấu trúc xà cừ để tạo ra vật liệu cứng, dai, bền hơn. Trong quá trình nghiên cứu xà cừ, một số chú ý đến bản lề cũng tạo thành từ aragonit nhưng lại có thể uốn cong và kéo dài mà không bị gãy.

Theo nhà vật liệu học Shu-Hong Yu (Đại học Khoa học - Công nghệ Trung Quốc), thành viên nhóm nghiên cứu loài trai vỏ mỏng: “Khả năng đặc biệt này gây ấn tượng mạnh với chúng tôi. Chúng tôi quyết định tìm ra nguyên lý cơ bản đằng sau”.

Từ đầu thế kỷ 19 giới khoa học đã nghiên cứu bản lề, tìm ra điểm khác biệt giữa chúng để phân loại động vật hai mảnh vỏ. Tuy nhiên họ không có công nghệ để tìm hiểu cấu trúc bên trong.

Nhờ kính hiển vi cùng máy tính, nhóm của nhà vật liệu học Yu phát hiện bản lề gồm hai thành phần chính. Thành phần lõi dạng gấp như quạt giấy, khung của lõi là một loạt dây aragonit được bọc trong lớp đệm protein mềm. Thành phần thứ hai là dây chằng đàn hồi ở mép ngoài lõi.

Khi bản lề đóng lại, lớp đệm protein giúp giữ cho dây aragonit thẳng, ngăn chúng bị cong và gãy. Còn dây chằng hấp thụ lực căng lúc bản lề mở ra. Hai thành phần phối hợp khiến bản lề cực kỳ cứng cáp.

Nhóm nghiên cứu dùng máy thử nghiệm độ bền. Bản lề trải qua 1,5 triệu lần đóng mở vẫn không có dấu hiệu hư hỏng. Lấy cảm hứng từ thiết kế trên, nhóm phát triển bản lề với cấu trúc tương tự nhưng dùng sợi thủy tinh thay thế dây aragonit. Kết quả thử nghiệm cho thấy nguyên bản này cũng rất bền.

Nhà vật liệu học Yu cho biết nguyên bản không dành cho mục đích ứng dụng vào thực tế, nhưng đủ để chứng minh con người có thể chế tạo ra bản lề như loài trai.