Tơ nhện và cầu nối hydrogen
⚠️ Nội dung trích bài đọc thêm của sách LKHH - Lăng kính Hoá học. Đọc các bài viết Chuyên Hoá khác tại đây.
Tơ nhện là một trong những vật liệu tự nhiên kì diệu với độ bền vượt trội, có thể so sánh với thép ở một số phương diện mà lại nhẹ hơn nhiều lần. Các nhà khoa học từ Đại học Northwestern (Hoa Kì) mới đây đã khám phá ra bí mật về cơ chế hóa học đằng sau sức mạnh này. Khi nhện giăng tơ, chúng dùng chân sau để kéo giãn sợi tơ. Quá trình kéo giãn này không chỉ đơn thuần là thao tác cơ học mà còn tạo ra sự thay đổi quan trọng ở cấp độ phân tử: các chuỗi protein trong sợi tơ được sắp xếp thẳng hàng theo cùng một hướng. Điều này làm tăng đáng kể số lượng cầu nối hydrogen giữa các chuỗi protein, tạo nên một mạng lưới liên kết chặt chẽ giúp sợi tơ trở nên dai và bền hơn.
Cầu nối hydrogen là lực hút yếu giữa nguyên tử hydrogen mang điện tích dương một phần (δ+) với nguyên tử mang điện tích âm một phần (δ-) như oxygen, nitrogen hay fluorine. Các liên kết này tuy yếu hơn nhiều so với liên kết cộng hóa trị nhưng khi xuất hiện với số lượng lớn, chúng tạo nên một mạng lưới bền vững, quyết định cấu trúc không gian và độ bền của nhiều phân tử sinh học như protein và DNA. Hãy tưởng tượng bạn có một nhóm sợi dây rối. Khi kéo giãn, các sợi dây sắp xếp song song với nhau, có thể chạm vào nhau ở nhiều điểm hơn. Nếu mỗi điểm chạm tạo ra một lực hút nhỏ (tương tự cầu nối hydrogen), thì tổng số lực hút sẽ tăng lên rất nhiều khi các sợi được sắp xếp ngăn nắp, khiến cả bó dây trở nên bền chắc hơn nhiều so với khi còn rối.
Hình ảnh hiển vi điện tử quét của các sợi từ tơ nhện kĩ thuật. Nguồn: © Đại học Washington tại St Louis
Hiểu được vai trò của cầu nối hydrogen trong cấu trúc tơ nhện mở ra cơ hội chế tạo các vật liệu nhân tạo có tính chất tương tự. Thay vì phải nuôi nhện - một quá trình không khả thi ở quy mô công nghiệp, các nhà khoa học có thể tổng hợp protein tương tự bằng kĩ thuật di truyền và áp dụng nguyên lí kéo giãn để tạo ra vật liệu có độ bền cao. Nghiên cứu này đặc biệt có ý nghĩa khi cho thấy mối liên hệ giữa cấu trúc phân tử (sự sắp xếp của các chuỗi protein) và tính chất vĩ mô (độ bền, độ đàn hồi) của vật liệu. Đây là một ví dụ tiêu biểu cho thấy các nguyên lí hóa học cơ bản như liên kết phân tử có thể giải thích và dự đoán tính chất của vật liệu phức tạp trong tự nhiên, mở ra hướng nghiên cứu mới cho các vật liệu sinh học trong tương lai.
Tài liệu tham khảo
JJ Graham et al, Sci. Adv., 2025, DOI: 10.1126/sciadv.adr3833