 |
| Cá hải tượng là loài cá nước ngọt lớn nhất hành tinh. |
Tất nhiên không quân Mỹ không rảnh việc để đi làm thay công việc của các nhà sinh vật học. Họ đang muốn biết bí mật ẩn sau lớp vỏ cứng của cá hải tượng (arapaima), cái gì khiến những chiếc vảy của chúng có thể chống chịu những hàm răng sắc như dao cạo, để từ đó, chế tạo ra các loại vật liệu tốt hơn cho con người và đặc biệt là ứng dụng trong việc sản xuất máy bay chiến đấu.
Bộ vẩy tiến hóa trong hàng triệu năm
Bài báo trên tạp chí Popular Mechanics nói rằng không quân Mỹ đang có chương trình nghiên cứu bằng cách nào một con cá Amazon có thể sống sót trong vùng nước đầy những con cá piranha tuy không lớn nhưng sống thành từng bầy và cực kỳ hung tợn, sẵn sàng cắn xé bất cứ thứ gì có thịt khi chúng đói.
Cá hải tượng, hay hải tượng long, là loài cá bơi chậm, to lớn như một quả ngư lôi, có thể trở thành miếng mồi ngon cho đám cá piranha luôn đói ngấu nghiến, nhưng điều này không xảy ra nhờ cá hải tượng có một bộ vảy đã tiến hóa trong nhiều triệu năm loài cá cổ xưa này tồn tại. Và đây là lý do không quân Mỹ đổ tiền ra nghiên cứu lớp vảy của loài cá này.
Cá hải tượng có cái đầu bẹt giống cá quả, có thể hít thở không khí bằng một bộ phận tương tự như phổi động vật có vú, có nhiều ở Brazil, Peru hay Guyana. Cá hải tượng là một trong vài loài cá nước ngọt lớn nhất thế giới, có thể dài đến 3,3m, nặng tới 200kg. Bởi cá có khả năng hít thở không khí, ngớp không khí để tồn tại nên nó có thể sống trong những vùng nước nông nghèo oxy.
 |
| Cá hải tượng có cái đầu bẹt như cá quả. |
Nhưng thứ giúp hải tượng sống sót là bộ giáp có thể chống chọi các cú đớp của loài cá săn mồi dữ tợn, đặc biệt là cá piranha chuyên tấn công và ăn vật sống. Theo tin của Reuters, nhưng chiếc vẩy của cá hải tượng rất đặc, rất khó xuyên thủng dù vẫn dẻo. Các nhà nghiên cứu cho rằng đây là kết quả tiến hóa trong hàng triệu năm, trong môi trường đầy thứ cá chết chóc như piranha.
Các thí nghiệm cho thấy vẩy cá hải tượng “có một lớp khoáng chất cứng bên ngoài chống xuyên thủng, bên trong là một lớp khác dai nhưng dẻo là collagen- cấu trúc protein chính trong da và các mô kết nối khác của cơ thể”. Các chuyển động tương tự một cú cắn mạnh chỉ có thể làm biến dạng nhưng không thể phá hủy lớp collagen này.
Năm 2013, Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley National và UC Berkeley ở Mỹ nghiên cứu vẩy cá hải tượng, phát hiện ra sợi collagen trên mình cá “được sắp xếp theo các phiến song song, mỗi tấm vẩy được uốn cong một chút tùy theo tấm vẩy phía trên và phía dưới”.
Sau đó, một nghiên cứu của Bộ Năng lượng Mỹ viết: “Lớp vẩy phía trong của cá hải tượng có thể vặn xoắn và ép khi chịu lực… các tấm vẩy này có thể trở lại tình trạng ban đầu để chống lại các lực. Việc này gia tăng cả sức mạnh lẫn khả năng cưỡng lại tình trạng nứt vỡ”.
 |
| Hàm răng cực kỳ sắc bén của một con cá piranha. |
Các tính chất của vẩy cá hải tượng đã khiến một số người nghĩ đến khả năng ứng dụng. Một nhóm nghiên cứu ở California, Mỹ chỉ ra một hướng ứng dụng nhằm cải thiện các loại giáp quân sự hạng nhẹ. Tuy nhiên, các thiếu sót trong việc in 3D đồng nghĩa rằng một tấm áo chống đạn bao phủ bằng vẩy có thể còn cần thêm thời gian hoàn tất.
Kết cấu siêu đẳng
Có trong tay các miếng vẩy cá hải tượng, nhóm nghiên cứu bắt đầu tìm hiểu độ bền chắc của chúng và nhận thấy đây là một trong những kết cấu chống nứt vỡ tốt nhất trong tự nhiên.
 |
| Cá hải tượng đang phải đối diện với tình trạng đánh bắt quá mức. |
“Lớp vỏ cứng ngoài cùng chính là chìa khóa”, nhà nghiên cứu Robert Ritchie của đại học tổng hợp California, Berkeley, nói. “Vẩy cá được kết cấu từ collagen và khoáng chất, nhưng cơ bản là lớp vỏ ngoài có mật độ khoáng chất cao hơn nhiều và giúp vẩy cứng hơn”.
Sử dụng kính hiển vi điện tử để quan sát lớp bên trong, các nhà khoa học nhận thấy cách bố trí các sợi cơ giống như một cầu thang xoắn ốc, giống như kết cấu Bouligand. Điều này có nghĩa là nếu một loại động vật săn mồi cắn xuyên qua lớp vỏ dai cứng bên ngoài, các sợi cơ có thể biến dạng và rời ra theo các hướng khác nhau và điều này khiến khả năng nứt vỡ bị hạn chế. “Đây là phương cách đầy hiệu quả trong việc chống lại hiện tượng gãy, vỡ”, nhà nghiên cứu Ritchie nói thêm.
Sự kết hợp giữa các lớp cứng và mềm trên vẩy cá hải tượng cũng tương tự kết cấu của các loại áo giáp chống đạn ngày nay. Tuy nhiên, trong khi tự nhiên xây dựng kết cấu bền chắc này từ phân tử, tạo ra một khoảng “chuyển giao” tinh tế giữa các lớp, thì các loại vật liệu tổng hợp sử dụng chất kết dính, tạo ra một một trường mà theo nhà nghiên cứu Ritchie, là nơi các lớp vật chất có xu hướng rời ra hoặc nứt gãy, làm yếu đi vật liệu.
Dương Văn, nhà nghiên cứu của đại học Berkeley, nói đội thí nghiệm đang nghiên cứu cách mô phỏng lại kết cấu xoắn ốc của vẩy cá hải tượng, nhưng việc này đầy thách thức với các kỹ thuật thiết kế thông thường. “Công nghệ in 3D có thể có khả năng giải quyết vấn đề nếu các khiếm khuyết hiện tại được giải quyết triệt để”, nhà nghiên cứu Ritchie nói.
“Tôi rất ngạc nhiên khi thấy vẫn những vật chất được sử dụng để gia cường cho vật liệu composite được tìm thấy trong một chiếc vẩy cá… nó rất có lý”, giáo sư Jan-Henning Dirks chuyên ngành kết cấu sinh học thuộc đại học Khoa học ứng dụng ở Đức nói.
