Thủy tinh thường được biết đến là vật liệu cứng nhưng giòn và dễ vỡ. Một va chạm nhỏ cũng có thể khiến nó nứt hoặc vỡ thành nhiều mảnh. Tuy nhiên, khi được tạo thành những cấu trúc gần như không có khuyết tật ở quy mô nano, thủy tinh lại thể hiện một đặc tính hoàn toàn khác.
Các nhà khoa học từ Đại học Connecticut, Đại học Columbia và Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven đã kết hợp cấu trúc phức tạp của DNA với thủy tinh tinh khiết để tạo ra một vật liệu có độ bền và trọng lượng đặc biệt. Theo nhóm nghiên cứu, vật liệu này nhẹ hơn thép 5 lần nhưng mạnh hơn 4 lần, trở thành một trong những vật liệu nổi bật nhất xét theo mối tương quan giữa độ bền và mật độ.
Cảm hứng từ bộ giáp Iron Man
Bài toán tạo ra vật liệu vừa nhẹ vừa chắc chắn từ lâu đã là một thách thức. Hai đặc tính này thường được xem là khó đạt được đồng thời, nhưng nhóm nghiên cứu cho rằng chúng không nhất thiết phải đối lập.
Oleg Gang, nhà khoa học vật liệu nano tại Đại học Columbia, cho biết cảm hứng của ông đến từ bộ giáp Iron Man. Theo ông, một bộ giáp như vậy phải đủ nhẹ để nhân vật có thể bay nhanh, nhưng đồng thời phải đủ mạnh để bảo vệ trước các cuộc tấn công.
Kết quả nghiên cứu cho thấy mạng tinh thể nano bằng thủy tinh có thể đáp ứng đồng thời hai yêu cầu này ở quy mô vật liệu. Tuy nhiên, khoảng cách giữa một cấu trúc nano trong phòng thí nghiệm và một bộ giáp thực tế vẫn còn rất lớn.
Bí mật nằm ở thủy tinh gần như không có khuyết tật
Thủy tinh thông thường dễ vỡ phần lớn do những khiếm khuyết trong cấu trúc, chẳng hạn vết nứt hoặc các nguyên tử bị thiếu. Những điểm yếu này có thể khiến cấu trúc nhanh chóng bị phá hủy khi chịu tác động.
Nhưng ở trạng thái tinh khiết và gần như không có khuyết tật, một mảnh thủy tinh rất nhỏ có thể chịu được áp suất đủ để phá hủy một số vật liệu chắc chắn và nặng hơn nhiều.
Vấn đề là rất khó chế tạo những khối thủy tinh lớn mà không có khuyết tật. Vì thế, các nhà nghiên cứu tập trung vào những cấu trúc có kích thước dưới một micromet. Với kích thước cực nhỏ, thủy tinh có thể duy trì cấu trúc gần như hoàn hảo, đồng thời tạo ra vật liệu nhẹ hơn nhiều kim loại và gốm.
Nhưng làm thế nào để sắp xếp thủy tinh thành một cấu trúc phức tạp?
Câu trả lời của nhóm nghiên cứu là DNA.
DNA trở thành bộ khung cho thủy tinh
Các nhà khoa học sử dụng DNA làm một bộ khung tự lắp ráp. Có thể hình dung cấu trúc này giống như khung của một ngôi nhà, chỉ khác rằng thay vì sử dụng gỗ hoặc thép, bộ khung được tạo nên từ DNA.
Sau khi khung DNA hình thành, các nhà nghiên cứu phủ thủy tinh lên cấu trúc này để tạo thành một mạng tinh thể nano ba chiều. Kết quả là một kiến trúc có các thanh chống thủy tinh chỉ dày vài nanomet nhưng vẫn tạo thành một hệ thống có độ bền cao và trọng lượng rất thấp.
Trong những cấu trúc được kiểm tra cơ học ở nghiên cứu ban đầu, DNA chỉ đóng vai trò giá đỡ tạm thời. Sau khi hoàn thành mạng tinh thể nano, nhóm nghiên cứu xử lý nhiệt để làm rắn chắc silica và loại bỏ DNA.
Thứ còn lại là một kiến trúc thủy tinh rỗng cực kỳ nhẹ. Sự kết hợp giữa cấu trúc ở cấp độ nano và thủy tinh tinh khiết tạo ra những đặc tính về độ bền và mật độ mà các nhà nghiên cứu trước đó khó có thể đạt được.
Nghiên cứu này được công bố lần đầu vào năm 2023. Kể từ đó, các nhóm nghiên cứu tiếp tục tìm cách mở rộng và cải thiện phương pháp.
DNA có thể không chỉ là bộ khung tạm thời
Một nghiên cứu khác vào năm 2024 đã chế tạo các mạng tinh thể nano DNA-silica tương tự, nhưng thay đổi hình học và độ dày lớp phủ thủy tinh. Điểm khác biệt đáng chú ý là nhóm nghiên cứu giữ DNA lại bên trong cấu trúc hoàn thiện.
Các mô phỏng cho thấy lõi DNA có thể hạn chế hiện tượng oằn ở quy mô lớn. Đây là hiện tượng có thể khiến các thanh chống cực nhỏ của mạng tinh thể bị sụp đổ.
Nhờ hạn chế quá trình này, cấu trúc có thể trì hoãn hư hỏng và chịu được mức biến dạng lớn hơn.
Phát hiện này cho thấy DNA không nhất thiết chỉ đóng vai trò như một bản thiết kế giúp các nhà nghiên cứu đặt thủy tinh vào đúng vị trí rồi biến mất sau đó. Trong những điều kiện phù hợp, DNA có thể trở thành một phần của chính thiết kế cơ học của vật liệu.
Không dừng lại ở thủy tinh, các nhà nghiên cứu còn sử dụng những bộ khung được lập trình bằng DNA để tạo ra cấu trúc chứa nhiều vật liệu vô cơ khác.
Trong nghiên cứu công bố năm 2024, Gang và các đồng nghiệp đã tạo ra những cấu trúc chứa kim loại, oxit kim loại và chất bán dẫn. Các vật liệu được nghiên cứu bao gồm kẽm, nhôm, đồng, molypden, vonfram, indi, thiếc và bạch kim, cùng các hợp chất như oxit indi-thiếc.
Mục tiêu là chứng minh DNA có thể trở thành một hệ thống xây dựng tổng quát, cho phép tạo ra những vật liệu vô cơ có hình dạng chính xác và tiềm năng sở hữu các đặc tính cơ học, điện tử hoặc quang học khác nhau.
Thách thức lớn nhất vẫn là sản xuất quy mô lớn
Dù những kết quả ở cấp độ nano rất ấn tượng, việc đưa chúng vào các sản phẩm thực tế vẫn là câu chuyện hoàn toàn khác.
Tạo ra một cấu trúc chỉ rộng vài micromet không giống với việc chế tạo một tấm thân xe, một bộ phận máy bay hay một bộ giáp. DNA origami cho phép kiểm soát cấu trúc ở quy mô nano với độ chính xác rất cao, nhưng chi phí, khả năng sản xuất ở quy mô lớn và việc tích hợp với các phương pháp chế tạo thông thường vẫn là những trở ngại đáng kể.
Nhóm của Gang đã có một số bước tiến trong vấn đề này. Năm 2025, các nhà nghiên cứu trình diễn phương pháp phát triển có chọn lọc những mạng tinh thể DNA ba chiều trên các tấm silicon và bề mặt oxit kim loại được tạo hình trước.
Họ tạo ra các cấu trúc có những đặc điểm rộng hàng chục micromet trên những vùng được tạo hình có diện tích khoảng 10 mm². Phương pháp hoạt động trên oxit silicon cũng như oxit nhôm, titanium dioxide và zinc oxide.
Kết quả này vẫn còn rất xa mục tiêu sản xuất vật liệu kết cấu với khối lượng lớn. Tuy nhiên, nó giải quyết một vấn đề trung gian quan trọng: làm thế nào để đưa các cấu trúc nano được lắp ráp bằng DNA đến những vị trí xác định trên các bề mặt lớn hơn.
Từ vật liệu siêu bền đến hệ thống xây dựng có thể lập trình
Những nghiên cứu mới cho thấy DNA đang dần vượt ra ngoài vai trò quen thuộc trong sinh học để trở thành một công cụ chế tạo vật liệu ở cấp độ nano.
Ban đầu, ý tưởng chủ yếu nhằm tạo ra những mạng tinh thể thủy tinh cực nhẹ và chắc chắn. Sau đó, các nhà khoa học phát hiện DNA có thể được giữ lại để thay đổi đặc tính cơ học của cấu trúc, đồng thời có thể dùng bộ khung này để tạo ra nhiều vật liệu khác như kim loại, oxit kim loại và chất bán dẫn.
Tuy nhiên, việc chế tạo một bộ giáp giống Iron Man vẫn chưa nằm trong tương lai gần. Khoảng cách từ những cấu trúc nano được tạo ra trong phòng thí nghiệm đến một vật liệu kết cấu đủ lớn để sử dụng trong thực tế vẫn còn rất xa.
Dẫu vậy, ba năm sau nghiên cứu đầu tiên, hướng tiếp cận này vẫn tiếp tục được mở rộng. Các nhà khoa học hiện có nhiều cách hơn để kiểm soát vật liệu cấu thành, cách chúng biến dạng và vị trí các cấu trúc có thể phát triển.
Thay vì chỉ là một phương pháp đặc biệt để tạo ra những mảnh thủy tinh siêu nhỏ có độ bền cao, DNA đang dần trở thành một hệ thống xây dựng vật liệu có thể lập trình, mở ra một hướng tiếp cận mới cho việc chế tạo những cấu trúc mà các phương pháp sản xuất truyền thống khó kiểm soát ở cấp độ nano.
Nghiên cứu ban đầu được công bố ngày 20/10/2023 và sau đó được cập nhật thêm thông tin. Những phát hiện này được đăng trên tạp chí Cell Reports Physical Science.
Tham khảo: ZME
Đức Khương
