Tơ tằm để cố định Carbon
Tơ tự nhiên chứa hơn 30% carbon. Việc thay thế nó bằng sợi hóa học đã chấm dứt quá trình cố định carbon qua việc trồng dâu, sản xuất tơ tằm kết hợp với việc tạo đất màu. Như vậy, trường hợp này cho thấy những phát thải từ dầu lửa chỉ là phân nửa vấn đề. Sự thay thế một nguyên liệu bền vững (tơ tằm) bằng một nguyên liệu không bền vững (dầu lửa) đã loại bỏ những bể carbon tự nhiên. Hệ sinh thái mất tính hiệu quả vì không còn khả năng bổ sung chất dinh dưỡng cho đất. Vì vậy, người canh tác buộc phải bón đất bằng phân hóa học. Việc ấy làm tăng thêm lượng khí nhà kính, nhất là từ khi phân đạm trở thành nguồn thải oxit nitơ (N2O) lớn nhất.
Theo Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC), mặc dù mức thải khí N2O tương đối thấp nhưng tác động của nó hết sức to lớn. Một tấn N2O thải ra tương đương với 310 tấn CO2 . Các hệ thống canh tác truyền thống hoạt động hài hòa với những mối liên kết dễ bị tổn thương vốn là đặc điểm của một hệ sinh thái. Ở đây chúng ta thấy một thí dụ gây kinh ngạc về sự phân rã của những chu trình tích cực ấy trước phương thức độc canh và sợi tổng hợp. Phân bón hóa học và chất dẻo được mô tả như những biểu tượng của thời hiện đại thật ra là đối tượng nghiên cứu về trường hợp những hệ thống sản xuất và tiêu dùng đã thoái hóa từ trạng thái bền vững sang không bền vững như thế nào.
Wallace Carothers, người kỹ sư hóa đã sáng chế sợi ni-lông cho công ty Dupont, có thể không có ý nghĩ là sợi hóa dầu của ông sẽ làm phân rã một mạng lưới của sự sống, mạng lưới đã phát triển ngành sản xuất nông nghiệp một cách hài hòa thành một thác dinh dưỡng nhiều tầng cải tạo đất và giúp ích việc canh tác suốt cả năm ngàn năm. Thành thật mà nói, khi cố gắng đạt tính hiện đại, chúng ta đã tỏ ra không biết gì về tác động do các phát minh của mình gây ra. Làm sao chúng ta có thể chờ đợi chính quyền và ngành công nghiệp có khả năng vượt qua thách thức của biến đổi khí hậu, trừ phi họ hiểu rằng hàng ngàn mối liên kết có thể bị phá hủy bởi sự thiếu hiểu biết của họ? Một khi chúng ta hiểu thấu mối tương tác hài hòa của vật lý và sinh hóa trong các hệ sinh thái, chúng ta mới có thể tạo thêm nhiều đổi mới mang tính đột phá, những đổi mới mở ra ngày càng nhiều khả năng hơn để đạt tới sự tiến bộ và trạng thái đầy đủ. Nhưng có thấy được các cơ hội hay không là tùy ở tất cả chúng ta.
Hình học của tơ tằm
Hiểu rõ vấn đề cũng là chìa khóa để giải quyết nó. Hàng trăm loài có thể tạo ra tơ, trong số đó có kiến, ong bắp cày, trai và nhện. Nhưng chỉ một loài duy nhất, con tằm, đã được thuần hóa. Nhờ có thiết bị tinh vi, người ta có thể xem xét các loại tơ khác nhau trong phạm vi nanomet. Các nhà khoa học bắt đầu hiểu những polyme tự nhiên có thể có những đặc tính hơn hẳn vài loại sợi nhân tạo tương ứng và ngay cả vài kim loại như titan vốn được đánh giá là có tỉ số sức bền – trọng lượng cao nhất trong các kim loại. Nếu chúng ta biết cách sản xuất những polyme sinh học trong điều kiện môi trường chung quanh như các loài kể trên, với dưỡng chất có thể có được, thì sẽ mở ra vô số khả năng mới cũng như một chu trình tái tạo đất và ổn định khí hậu tuyệt hảo.
Trong khi công tác ở Trung Mỹ, Giáo sư trường Đại học Oxford Fritz Vollrath bắt gặp loài nhện dệt cầu vàng Nephila clavipes giăng một mạng lưới vàng đẹp đẽ có đường kính tới một mét. Ông hứng thú với bằng chứng thử nghiệm để đưa ra giả thuyết là màu ấy có một mục đích kép: thu hút con mồi và cải trang. Sau mấy thập kỷ nghiên cứu, ông đã hiểu được tơ nhện cầu vàng và các đặc tính đáng chú ý của nó: dẻo, đàn hồi và bền chắc. Ông thấy rõ tơ nhện có được những tính chất đặc biệt ấy nhờ ở cấu trúc hình học trong phạm vi nanomet của nó. Hình học là một phần của toán học. Trong trường hợp tơ nhện, Vollrath đã sử dụng hình học để xác định cái cấu trúc với một phần kết tinh và một phần vô định hình tạo ra sức bền mà nhiều kim loại và chất dẻo không cạnh tranh nổi. Chỉ bằng cách kiểm soát áp suất và độ ẩm ở phía sau bụng nó lúc chăng tơ, nhện cầu vàng có khả năng sản xuất bảy loại tơ khác nhau.
Lưới của loài nhện Nephila clavipes tốt hơn lưới của nhiều loài khác về sức căng và tính đa năng trong những điều kiện thay đổi. Độ bền của tơ do nhện sản xuất có nguồn gốc từ việc gấp xếp tài tình các protein hợp thành tơ. Việc gấp xếp protein này chủ yếu phụ thuộc vào lượng nước chính xác chiết ra chỉ bởi áp suất trong bụng nhện. Cách ép nước ấy được hiểu rõ hơn nhờ sự so sánh giữa nhện và côn trùng của giáo sư Vollrath.
Nhện có khả năng đáng chú ý là tái sử dụng, khôi phục mạng lưới để đáp ứng yêu cầu mới. Chúng nuốt phần mạng mà chúng muốn sửa chữa, phân tách ra các axit amino ban đầu. Làm sao chúng ta không có ấn tượng về thành tích ấy được? Đó là một trong những chương trình tái chế polyme tốt nhất từ trước tới nay! Làm sao có thể so sánh mạng nhện với thứ chất dẻo “dùng một lần” ngày càng tích tụ nhiều hơn ở cái lục địa rác chất dẻo đang trôi nổi trên Thái Bình Dương, đầu độc các sinh vật biển sống quanh đó?
Tuy nhiên, việc thuần hóa nhện là một thách thức. Những con nhện được thuần hóa rất hung dữ. Cả khi không còn hành động tự vệ ấy nữa, năng suất của chúng cũng thấp hơn bình thường. Chúng tái chế, tái xử lý mạng lưới quá nhiều để tạo ra một loại tơ mới thích ứng với hoàn cảnh mới và không có nhu cầu sản xuất thêm. Giới hạn ấy thúc đẩy Vollrath so sánh cấu trúc của tơ tằm với tơ do nhện cầu vàng tạo ra. Cùng với ê kíp Oxford của mình, ông sử dụng các axit amin cơ bản theo công thức của tơ nhện để làm cho tơ tằm trở nên như tơ nhện. Polyme mà họ phát triển theo cách đó là một loại tơ có đặc tính giống hệt loại tơ độc nhất vô nhị của nhện.
Giáo sư Vollrath tham gia tích cực vào việc tạo ra một phương pháp sản xuất polyme sinh học từ những nguồn tái tạo, rất giống chiến lược phục hồi đất chính gốc của người Trung Hoa. Trên cơ sở nghiên cứu có tầm nhìn xa của ông, Vollrath đã thành lập những xí nghiệp sản xuất các polyme nói trên và nhận dạng những thị trường cho các sản phẩm sinh học tốt và rẻ hơn những polyme hóa học cũng như những hợp kim đắt tiền. Thay vì gây thiệt hại ngoài ý muốn, như trường hợp những sản phẩm khiến khí nhà kính phát sinh, các polyme có thể giúp kết nối nền kinh tế của chúng ta với mục tiêu ban đầu của việc sản xuất tơ tằm Trung Hoa: tái tạo, đổi mới và làm gia tăng độ màu mỡ của đất, năng suất thu hoạch và khả năng cố định carbon.
Hơn một thế kỷ trước đây, sản lượng tơ thô hàng năm xấp xỉ một triệu tấn. Mức sản xuất hiện nay dao động trong một khoảng dưới 100.000 tấn/năm. Ngoại trừ những loại vải xa xỉ như hàng của công ty Hermès, thị trường tơ trong tương lai sẽ không nhắm tới hàng vải hay quần áo. Về mặt giá cả, tơ không thể cạnh tranh với những polyme tổng hợp nổi tiếng đang chiếm một thị phần lớn hơn trong công nghiệp dệt. Tuy nhiên, tơ lại trội hơn những kim loại đắt tiền (gấp sáu lần, xét về giá và năng suất) như thép không rỉ và titan. Titan trở thành vật liệu cấu trúc tiêu chuẩn cho động cơ phản lực, tàu vũ trụ, nhà máy khử muối, bộ phận chân tay giả, vật cấy ghép chỉnh hình, răng cấy, hàng thể thao và điện thoại di động. Mặc dù ngành công nghiệp vũ trụ và hàng không tận dụng phần lớn nhất lượng titan đã gia công, càng ngày càng có nhiều hàng tiêu dùng chứa titan như vật dụng bằng thép không rỉ, cũng như những sản phẩm từ khung xe đạp, nữ trang đến vật cấy ghép và bộ phận giả.
Ở đây, chúng ta có thể nhận ra một chuyển đổi trong chiến lược kinh doanh có khả năng làm nảy sinh một mô hình phát triển kinh tế mới. Quá trình sản xuất titan từ quặng tiêu thụ một lượng lớn magie, clo, acgon. Titan phải được hàn trong một môi trường khí trơ để tránh bị nhiễm oxy, nitơ hay hydro. Cả năng lượng đầu vào lẫn việc sử dụng nguồn khoáng sản quí hiếm đều đáng kể nên sản phẩm sau cùng có giá cao. Titan đã được gia công và tôi luyện có tỉ số sức căng – tỉ trọng lớn và độ bền cao đối với oxy và sự ăn mòn của nước biển. Vì những đặc tính mong muốn ấy, người tiêu dùng chi trả nhiều hơn và không quan tâm đến thiệt hại cho môi trường. Nếu chúng ta đối chiếu chu kỳ sống của titan với quá trình biến đổi lá dâu thành tơ tằm ở nhiệt độ, áp suất và độ ẩm gần với môi trường chung quanh, thì rõ ràng tơ sẽ nằm trong phần tích cực của bảng chỉ số bền vững. Chúng ta nhanh chóng hiểu rằng chúng ta có thể thúc đẩy các ngành công nghiệp kể trên tới sự bền vững như thế nào. Những công ty muốn hưởng lợi ích từ sự hiểu biết của Vollrath về cấu trúc hình học của tơ trong phạm vi nanomet sẽ nhận thấy các polyme tơ là những thứ lý tưởng để thay thế kim loại hiệu năng cao.
GS Gunter Pauli
