THIẾT KẾ TUYỆT MỸ DƯỚI ĐÁY ĐẠI DƯƠNG
Khi khoa học khám phá sự khôn ngoan trong công trình sáng tạo của Đức Chúa Trời.
Ẩn sâu dưới lòng Thái Bình Dương, nơi ánh sáng mặt trời khó có thể chạm tới, tồn tại một sinh vật biển có cấu trúc đặc biệt đến mức khiến các nhà khoa học và kỹ sư phải dành nhiều năm nghiên cứu. Đó là Euplectella aspergillum, thường được gọi là Venus’ Flower Basket – bọt biển thủy tinh hay giỏ hoa Venus.
Thoạt nhìn, sinh vật này trông vô cùng mỏng manh. Cơ thể nó giống như một chiếc giỏ hình trụ được tạo nên từ những sợi thủy tinh mảnh mai, đan xen thành một bộ khung tinh xảo. Thế nhưng, ẩn sau vẻ ngoài tưởng chừng dễ vỡ ấy là một cấu trúc có độ bền, khả năng chịu lực và cơ chế phân tán ứng suất đáng kinh ngạc.
Điều khiến sinh vật này trở nên đặc biệt không chỉ nằm ở hình dáng bên ngoài, mà còn ở cách từng bộ phận được sắp xếp và liên kết với nhau.
Một kiến trúc tinh vi ngay giữa lòng đại dương
Euplectella aspergillum thuộc nhóm bọt biển thủy tinh (Hexactinellida), thường sinh sống ở vùng biển sâu, có thể ở độ sâu khoảng 100–1.000 mét. Cơ thể chúng được tạo thành từ một bộ khung chủ yếu bằng silica ngậm nước – thành phần có liên quan đến vật liệu tạo nên thủy tinh.
Nhìn vào bộ khung của sinh vật này, người ta có thể nhận ra một hệ thống kết cấu vô cùng có trật tự. Những thanh cấu trúc chạy theo chiều dọc và chiều ngang tạo thành một mạng lưới hình vuông. Đặc biệt, hệ thống còn được gia cố bằng những thanh chéo đan xen, tạo nên các ô có hình dạng giống bàn cờ. Bên ngoài còn có những đường gờ xoắn ốc góp phần tăng độ cứng và khả năng chống xoắn của toàn bộ cấu trúc.
Đây không phải là một sự sắp xếp ngẫu nhiên. Mỗi thành phần đều góp phần vào chức năng chung của bộ khung: vừa duy trì hình dạng, vừa phân tán lực tác động, vừa giúp sinh vật thích nghi với môi trường nước sâu và các dòng chảy dưới đáy biển.
Điều đáng kinh ngạc là những nguyên lý kết cấu tương tự cũng được con người ứng dụng trong kỹ thuật xây dựng hiện đại. Các thanh giằng chéo, hệ thống lưới chịu lực và kết cấu gia cường là những giải pháp quen thuộc trong kiến trúc và kỹ thuật cơ khí. Tuy nhiên, những nguyên lý ấy đã hiện diện trong cấu trúc sinh học của sinh vật này từ rất lâu trước khi con người nghiên cứu và ứng dụng chúng.
Bí mật nằm bên trong từng sợi thủy tinh nhỏ bé
Nếu cấu trúc bên ngoài đã đủ khiến chúng ta kinh ngạc thì khi quan sát ở cấp độ vi mô, sự tinh vi còn đáng chú ý hơn nhiều.
Những thanh cấu trúc của bọt biển không đơn giản là những sợi thủy tinh đồng nhất. Chúng được hình thành từ các đơn vị cấu trúc nhỏ gọi là spicules – những gai xương bằng silica. Bên trong các sợi này có cấu trúc phân lớp đồng tâm, với một lõi ở giữa và nhiều lớp silica bao quanh. Giữa các lớp có những lớp vật chất hữu cơ rất mỏng.
Một số nghiên cứu cho thấy cấu trúc của những sợi này có thể gồm khoảng 10–50 lớp silica đồng tâm, tùy từng cấu trúc được khảo sát.
Điều này có ý nghĩa rất lớn về mặt cơ học.
Thông thường, thủy tinh là vật liệu tương đối giòn. Khi xuất hiện một vết nứt, vết nứt có thể tiếp tục lan rộng và khiến vật liệu bị phá hủy. Nhưng trong cấu trúc nhiều lớp của bọt biển thủy tinh, các lớp bên ngoài có thể hấp thụ và phân tán một phần năng lượng, làm lệch hướng, kìm hãm sự phát triển của vết nứt và bảo vệ phần lõi bên trong.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Acta Biomaterialia năm 2023 đã quan sát trực tiếp quá trình phá hủy của những sợi silica này bằng kính hiển vi điện tử. Kết quả cho thấy sự hư hại bắt đầu từ những lớp bên ngoài và tiến dần vào phía lõi. Các lớp bao quanh đóng vai trò quan trọng trong việc làm chậm quá trình phá hủy, nhờ nhiều cơ chế khác nhau như làm lệch hướng vết nứt, ngăn vết nứt lan rộng và tách lớp có kiểm soát.
Nói cách khác, thay vì để một tổn thương nhỏ nhanh chóng dẫn đến sự phá hủy toàn bộ cấu trúc, hệ thống nhiều lớp này giúp vật liệu chống chịu tổn thương tốt hơn.
Thật đáng kinh ngạc khi một sinh vật có vẻ ngoài mỏng manh lại sở hữu một cơ chế bảo vệ phức tạp đến như vậy!
Thiên nhiên trở thành nguồn cảm hứng cho kỹ thuật hiện đại
Điều đáng chú ý là các nhà khoa học không chỉ nghiên cứu bọt biển thủy tinh vì sự độc đáo của nó. Họ còn tìm cách ứng dụng những nguyên lý cấu trúc này vào công nghệ vật liệu và kỹ thuật xây dựng.
Một nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature Materials năm 2021 đã khảo sát những kết cấu dạng lưới lấy cảm hứng từ bộ khung của Euplectella aspergillum. Các nhà nghiên cứu quan tâm đến cách hệ thống lưới vuông kết hợp với những thanh gia cố chéo có thể tạo ra kết cấu vừa nhẹ vừa có khả năng chịu lực tốt.
Những nghiên cứu khác cũng mở ra triển vọng ứng dụng các nguyên lý này trong việc chế tạo vật liệu mới, kết cấu chịu lực và những công trình kỹ thuật trong tương lai.
Đây là một minh chứng thú vị cho thấy con người vẫn đang học hỏi từ những cấu trúc có sẵn trong thế giới tự nhiên. Nhiều giải pháp mà chúng ta tưởng như là những phát minh mới mẻ trong kỹ thuật thực chất lại có những nguyên lý tương đồng đã hiện diện trong các hệ thống sinh học từ lâu.
Con người quan sát, nghiên cứu, phân tích rồi mô phỏng những nguyên lý ấy để tạo ra các sản phẩm phục vụ đời sống.
Đằng sau sự tinh vi của tạo vật là điều gì?
Khi quan sát một công trình kiến trúc phức tạp, chúng ta thường đặt câu hỏi: Ai đã thiết kế nó? Ai đã tính toán những thông số chịu lực? Ai đã sắp xếp các bộ phận để chúng có thể phối hợp với nhau một cách hiệu quả?
Một tòa nhà có hệ thống chịu lực tinh vi không tự nhiên xuất hiện từ sự sắp xếp ngẫu nhiên của vật liệu. Nó phản ánh quá trình thiết kế, tính toán và thực hiện có chủ đích.
Vậy khi đứng trước một cấu trúc sinh học với nhiều cấp độ tổ chức, từ hình dạng tổng thể đến từng lớp vật liệu ở cấp độ vi mô, chúng ta có thể suy nghĩ điều gì?
Bọt biển thủy tinh không chỉ có một hình dáng đẹp mắt. Nó sở hữu một hệ thống kết cấu có tổ chức, những đặc tính vật liệu đặc biệt và các cơ chế tương tác phức tạp. Từ mạng lưới bên ngoài cho đến cấu trúc nhiều lớp bên trong, mỗi cấp độ đều góp phần duy trì chức năng của toàn bộ sinh vật.
Đối với người có đức tin nơi Đức Chúa Trời, những điều này trở thành một lời nhắc nhở sâu sắc về sự khôn ngoan của Đấng Tạo Hóa.
Kinh Thánh chép:
“Hỡi Đức Giê-hô-va, công-việc Ngài nhiều biết bao! Ngài đã làm hết thảy cách khôn-ngoan; Trái đất đầy-dẫy tài-sản Ngài.” (Thi Thiên 104:24)
Và một lần nữa, sứ đồ Phao-lô khẳng định:
“bởi những sự trọn lành của Ngài mắt không thấy được, tức là quyền-phép đời đời và bổn-tánh Ngài, thì từ buổi sáng-thế vẫn sờ-sờ như mắt xem-thấy, khi người ta xem-xét công-việc của Ngài. Cho nên họ không thể chữa mình được,” (Rô-ma 1:20)
Những câu Kinh Thánh này giúp chúng ta nhìn thế giới tự nhiên không chỉ như một tập hợp các hiện tượng vật lý và sinh học, mà còn như một thế giới được tạo dựng bởi Đức Chúa Trời, Đấng có quyền năng và sự khôn ngoan vượt quá sự hiểu biết của con người.
Khoa học giúp chúng ta khám phá cách thức một cấu trúc hoạt động; đức tin giúp chúng ta suy ngẫm về Đấng Tạo Hóa và ý nghĩa của công trình sáng tạo ấy. Hai điều này không nên bị đánh đồng, nhưng cũng không nhất thiết phải đối lập nhau.
Con người đang khám phá những điều mà Đấng Tạo Hóa đã đặt để trong thế giới tự nhiên
Có một điều đáng suy ngẫm: con người ngày nay đang đầu tư rất nhiều thời gian, trí tuệ và nguồn lực để nghiên cứu những cấu trúc có sẵn trong thiên nhiên. Chúng ta quan sát cách một sinh vật tồn tại, phân tích những nguyên lý cấu tạo của nó, rồi học hỏi để tạo ra những vật liệu và công nghệ tốt hơn.
Nhưng chúng ta không phải là những người đầu tiên nghĩ ra tất cả những nguyên lý ấy.
Trước khi con người xây dựng những tòa nhà với hệ thống thanh giằng chéo, trước khi kỹ sư nghiên cứu vật liệu nhiều lớp để hạn chế sự lan truyền của vết nứt, những nguyên lý tương tự đã hiện diện trong cấu trúc của một sinh vật nhỏ bé dưới đáy đại dương.
Điều con người khám phá hôm nay không nhất thiết là điều mới mẻ trong thế giới tạo vật.
Đối với chúng ta, những người tin nhận Đức Chúa Trời, đây là một lời nhắc nhở rằng trí tuệ con người dù phát triển đến đâu vẫn luôn có những giới hạn. Càng khám phá thế giới tự nhiên, chúng ta càng có thêm lý do để khiêm nhường trước sự phong phú và phức tạp của công trình sáng tạo.
Con người có thể nghiên cứu cấu trúc, mô phỏng nguyên lý và chế tạo những công trình tinh vi. Nhưng con người không phải là Đấng Tạo Hóa.
Và có lẽ, điều đẹp đẽ nhất khi nhìn vào sinh vật nhỏ bé này không chỉ là sự hoàn hảo về mặt kết cấu, mà còn là lời nhắc nhở rằng thế giới chúng ta đang sống chứa đựng biết bao điều kỳ diệu vượt xa những gì con người đã khám phá.
Thiết kế có trước công trình. Ý tưởng có trước sự chế tạo. Và đối với người tin Chúa, đằng sau sự kỳ diệu của tạo vật là sự khôn ngoan vô hạn của Đấng đã dựng nên muôn vật.
TÀI LIỆU KHOA HỌC THAM KHẢO
1. Morankar và cộng sự (2023), In situ investigations of failure mechanisms of silica fibers from the Venus flower basket (Euplectella aspergillum), Acta Biomaterialia, tập 162, trang 304–311.https://doi.org/10.1016/j.actbio.2023.03.024
2. Fernandes và cộng sự (2021), Mechanically robust lattices inspired by deep-sea glass sponges, Nature Materials, tập 20, trang 237–241.https://doi.org/10.1038/s41563-020-0798-1
3. University of Texas at Austin, Marine Science Institute (2015), Venus Flower Baskets.https://utmsi.utexas.edu/science-and-the-sea/print-article/venus-flower-baskets/
4. Harvard University, Wyss Institute, Glass sponges hold internal secrets to structural strength. https://wyss.harvard.edu/news/glass-sponges-hold-internal-secrets-to-structural-strength/
Mục vụ Do Thái
Bình luận