Cơ chế da mực có thể giúp người lính “tàng hình”?
Được tài trợ bởi DARPA (Cục quản lý các Dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến Mỹ) và Không quân Mỹ, dự án nghiên cứu sinh học của động vật chân đầu được ứng dụng trực tiếp vào quốc phòng mới đây đã có một phát kiến đáng chú ý.
Một nhóm nhà nghiên cứu tại Đại học California, Irvine, hợp tác với một số cộng sự từ Phòng thí nghiệm Sinh học Biển (MBL) tại Woods Hole, bang Massachusetts (Mỹ), chụp được hình ảnh ba chiều đầu tiên về các tế bào cho phép mực ống ven bờ vây dài (Doryteuthis pealeii) chuyển từ màu trong suốt sang màu rực rỡ.
Lớp phủ của loài mực Đại Tây Dương này chứa đầy loại tế bào phản xạ ánh sáng gọi là iridophore (hoặc iridocytes). Bên trong mỗi iridophore, nhóm nghiên cứu nhìn thấy các cột protein reflectin cuộn chặt. Hoạt động giống như tấm phản xạ Bragg tự nhiên, những cột này tinh chỉnh cách ánh sáng đi vào bị phân tán, cho phép loài vật này thể hiện nhiều màu sắc rực rỡ theo yêu cầu.
Đồng tác giả nghiên cứu Alon Gorodetsky, phó giáo sư kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học tại UC Irvine, cho biết: “Khả năng chuyển đổi nhanh chóng và có thể đảo ngược từ trong suốt sang có màu của mực là điều đáng chú ý. Chúng tôi phát hiện loại tế bào chứa những cấu trúc hình trụ dưới tế bào chuyên biệt với phân bố chiết suất hình sin cho phép con mực đạt được những kỳ tích như vậy”.
Nhóm của Gorodetsky đã tiếp cận nhiều loài động vật thông qua nhà khoa học MBL cấp cao và đồng tác giả nghiên cứu, Roger Hanlon. MBL dành hơn một thế kỷ phân tích màu sắc loài động vật chân đầu và cung cấp chuyên môn quan trọng về cấu trúc mô iridophore. Để giải quyết cấu trúc bên trong của mỗi iridophore, nhóm nhà nghiên cứu chuyển sang phương pháp chụp ảnh toàn ký, một kỹ thuật chụp ảnh pha định lượng cường độ thấp, xây dựng bản đồ chiết suất 3 chiều từ những thay đổi nhỏ trong ánh sáng truyền qua.
Đồng tác giả chính Georgii Bogdanov, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại UC Irvine, giải thích: “Phương pháp chụp cắt lớp toàn ảnh sử dụng chiết suất cao của protein reflectin để phát hiện sự phân bố chiết suất hình sin trong tế bào mống mắt của mực”. Hình ảnh cho thấy các cột tiểu cầu phản xạ uốn lượn qua mọi iridophore, xác nhận rằng những cấu trúc kích thước nano này điều khiển sự phản xạ và truyền ánh sáng qua da. Nhóm nghiên cứu đưa ra lời giải thích chi tiết nhất về sự điều chỉnh màu sắc nhanh chóng của mực bằng cách lập bản đồ cách các cột xoắn và đóng lại với nhau.
Dựa trên những hiểu biết đó, nhóm nhà nghiên cứu mô tả cách họ chế tạo một vật liệu tổng hợp linh hoạt mô phỏng và mở rộng phạm vi quang học của loài mực. Vật liệu này kết hợp các tấm phản xạ Bragg hình sin nanocolumnar, được mô phỏng theo cấu trúc phản xạ, với các màng kim loại siêu mỏng bổ sung khả năng kiểm soát hồng ngoại. Khi bị kéo căng, uốn cong hoặc thay đổi môi trường xung quanh, vật liệu tổng hợp này có thể thay đổi diện mạo trên các dải tần nhìn thấy được và hồng ngoại, khiến nó phù hợp để ngụy trang thích ứng, màn hình đa quang phổ, dệt may thông minh và lớp da quản lý nhiệt.
Đồng tác giả chính Aleksandra Strzelecka, ứng viên tiến sĩ về kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học, báo cáo: “Những vật liệu lấy cảm hứng từ sinh học này vượt xa khả năng kiểm soát màu tĩnh đơn thuần, vì chúng có thể tự động điều chỉnh hình dạng của chúng ở các bước sóng khả kiến và hồng ngoại để phản ứng với mọi kích thích từ môi trường hoặc cơ học”. Strzelecka lưu ý phương pháp chế tạo này vốn có khả năng mở rộng quy mô và nhóm nghiên cứu đã sản xuất ra các mảng diện tích lớn “mô phỏng và thậm chí vượt xa khả năng quang học tự nhiên của con mực”.
Gorodetsky nói thêm rằng nguyên tắc thiết kế tương tự có thể làm sắc nét các thiết bị từ laser và bộ lọc sợi quang đến lớp phủ quang điện và cảm biến hóa học. Gorodetsky bình luận: “Chúng tôi có thể chỉ mới bắt đầu khám phá những gì có thể làm được đối với vật liệu quang học có thể điều chỉnh lấy cảm hứng từ động vật chân đầu trong phòng thí nghiệm của chúng tôi”.
Những người đóng góp bổ sung bao gồm học giả sau tiến sĩ Sanghoon Lee, ứng viên tiến sĩ Nikhil Kaimal và cộng sự nghiên cứu MBL Stephen Senft. Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng và Văn phòng Nghiên cứu Khoa học Không quân đã hỗ trợ công trình này.