Ai bảo dệt kim chỉ là một nghệ thuật thủ công của các bà, các mẹ ngồi đan khăn, áo len? Khoa học hiện đại đang chứng minh điều ngược lại. Thực tế, dệt kim không chỉ là việc biến sợi thành quần áo, mà nó còn có tiềm năng trở thành một kỹ thuật sản xuất tiên tiến giúp lập trình tính chất cơ học của vải! Bài nghiên cứu “Programming mechanics in knitted materials, stitch by stitch” (doi: 10.1038/s41467-024-46498-z) của các tác giả Krishma Singal, Michael S. Dimitriyev, Sarah E. Gonzalez, A. Patrick Cachine, Sam Quinn và Elisabetta A. Matsumoto đã đưa chúng ta vào thế giới của các mũi kim, và điều đặc biệt là chúng ta có thể điều chỉnh độ đàn hồi, độ cứng và nhiều đặc tính khác của vải chỉ bằng cách thay đổi… các mũi kim!
Nghiên cứu này nhằm giải quyết vấn đề về cách mà cấu trúc các mũi kim – gọi là stitch topology (cấu trúc mũi kim) – có thể thay đổi hoàn toàn tính chất cơ học của vải. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã đặt ra một số câu hỏi hóc búa: Làm thế nào cấu trúc mũi kim ảnh hưởng đến tính chất cơ học của vải? Có thể lập trình tính đàn hồi của vải bằng cách thay đổi các mũi kim mà không phụ thuộc vào loại sợi được sử dụng hay không? Các mô hình mô phỏng và thực nghiệm nào có thể được sử dụng để dự đoán và kiểm tra tính chất đàn hồi của vải?
Chi tiết
Để trả lời các câu hỏi trên, nghiên cứu đã thu thập rất nhiều dữ liệu, bao gồm thông tin về các mũi knit và purl – những mũi cơ bản trong dệt kim, dữ liệu về tính chất đàn hồi của các loại vải khác nhau dưới sự kéo dãn, các mô hình mô phỏng vi mô về cách sợi tương tác với nhau trong các mũi kim, và kết quả thực nghiệm về độ giãn của vải dưới lực tác động.
Một trong những khái niệm cực kỳ quan trọng trong nghiên cứu này là stitch topology – cấu trúc mũi kim. Đây là cách sắp xếp và kết nối các mũi knit (mũi trước) và purl (mũi sau) để tạo thành mạng lưới sợi đan vào nhau. Cách sắp xếp này không chỉ ảnh hưởng đến thẩm mỹ của vải mà còn điều chỉnh các đặc tính cơ học như độ giãn, độ cứng, và khả năng chịu lực. Các mũi knit tạo ra bề mặt phẳng và mịn, trong khi các mũi purl tạo ra bề mặt gồ ghề hơn. Sự kết hợp này có thể được “lập trình” để tạo ra các tính chất cơ học khác nhau của vải.
Cấu trúc mũi kim giống như cách sắp xếp các mắt xích trong một sợi dây. Hãy tưởng tượng bạn có hai sợi dây xích. Một dây có các mắt xích đều nhau, dây kia có các mắt xích lớn nhỏ xen kẽ. Cả hai dây đều từ cùng một chất liệu, nhưng do cách sắp xếp khác nhau, dây mắt lớn nhỏ sẽ mềm dẻo hơn. Điều này tương tự với cấu trúc mũi kim: cùng một loại sợi nhưng cách kết hợp các mũi khác nhau sẽ tạo ra những đặc tính cơ học khác nhau cho vải. Hãy hình dung dệt kim như một mạng lưới giao thông. Cấu trúc mũi kim giống như cách bạn bố trí đường phố: nếu bạn có nhiều đường cao tốc (mũi knit), giao thông sẽ di chuyển nhanh và hiệu quả, nhưng không linh hoạt. Nếu bạn bố trí thêm các đường phố nhỏ (mũi purl), mạng lưới này sẽ trở nên linh hoạt hơn, cho phép các phương tiện di chuyển dễ dàng giữa các làn đường, giống như cách vải có thể co giãn và thay đổi hình dạng.
Nghiên cứu đã kết luận rằng tính chất cơ học của vải dệt kim có thể được lập trình và điều chỉnh bằng cách thay đổi cấu trúc của các mũi kim mà không cần phải thay đổi loại sợi. Điều này có nghĩa là, chỉ cần sắp xếp các mũi knit và purl khác nhau, bạn có thể tạo ra các loại vải có độ giãn và độ cứng khác nhau. Ví dụ, vải stockinette (chỉ dùng mũi knit) sẽ cứng hơn, trong khi vải rib (kết hợp knit và purl) sẽ mềm mại và giãn tốt hơn.
Trong quá trình nghiên cứu, có một số giả định quan trọng như đặc tính cơ học của vải phụ thuộc chủ yếu vào cách mũi kim được sắp xếp, hơn là chất liệu của sợi. Các mô hình mô phỏng có thể tái hiện chính xác hành vi cơ học của vải dưới tác động của lực kéo, và sợi dệt được xem như không có khả năng giãn nở đáng kể.
Một ứng dụng thú vị từ nghiên cứu này là chiếc găng tay trị liệu được thiết kế nhằm hỗ trợ các khớp cổ tay trong khi vẫn cho phép cử động tự nhiên của ngón tay. Găng tay này được tạo ra bằng cách kết hợp các loại vải dệt kim với cấu trúc mũi kim khác nhau, cho phép điều chỉnh độ đàn hồi ở các vùng cần thiết trong khi vẫn giữ được sự linh hoạt cho các vùng khác. Đây là một bước tiến lớn trong việc ứng dụng dệt kim vào các thiết bị y tế.
Kết luận
Dệt kim không chỉ là việc tạo ra những chiếc áo len ấm áp mà còn là một khoa học phức tạp về lập trình tính chất cơ học của vải. Với khả năng điều chỉnh độ đàn hồi và độ cứng chỉ bằng cách thay đổi cấu trúc mũi kim, tương lai của dệt kim nằm ở giao thoa giữa nghệ thuật thủ công và công nghệ hiện đại. Hãy nghĩ về lần sau khi bạn đan một chiếc khăn, bạn không chỉ tạo ra một sản phẩm, mà còn đang lập trình cả một thế giới cơ học vi mô!