- Lượt xem: 14
- Theo dõi
Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (ETH Zurich) vừa công bố phương pháp đột phá biến những hạt cát rời rạc thành vật liệu xây dựng vững chắc. Bằng cách kết hợp công nghệ in 3D và sức mạnh sinh học của vi sinh vật, họ đã tạo ra những tấm vách kiến trúc vô cùng độc đáo.
Thay vì dùng xi măng truyền thống, nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Karen Antorveza Paez dẫn đầu đã sử dụng vi khuẩn Sporosarcina pasteurii làm chất kết dính. Quá trình này mô phỏng cơ chế hóa thạch tự nhiên, giúp liên kết chặt chẽ các hạt cát lại với nhau.
Cánh tay robot phun vi khuẩn và các chất tạo khoáng lên bề mặt để định hình khối vật liệu. Ảnh: ETH Zurich
Để hiện thực hóa, nhóm đã trộn lẫn cát và vi khuẩn sống thành một hỗn hợp gel giống như mực in. Máy in 3D sau đó sẽ đùn hỗn hợp này thành từng lớp xếp chồng lên nhau theo đúng thiết kế bản vẽ.
Sau khi in xong, khối sản phẩm dạng mềm sẽ được đưa vào ngâm trong bể dung dịch chứa urê và canxi clorua. Tại đây, vi khuẩn tiết ra enzyme phân giải urê để tạo thành canxi cacbonat, thành phần chính cấu tạo nên đá vôi.
Các tinh thể khoáng chất siêu nhỏ sẽ len lỏi, đan cài giữa các hạt cát và ở ranh giới các lớp in để hóa cứng toàn bộ khối vật liệu. Quá trình này diễn ra từ 2 đến 5 ngày ở nhiệt độ phòng bình thường, hoàn toàn không cần nung nóng gây tốn kém năng lượng.
Tấm vách rộng 1m² được chế tạo thành công nhờ sự kết dính sinh học từ vi sinh vật. Ảnh: ETH Zurich
Nhờ cơ chế này, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công một tấm vách rộng 1m² được ghép từ 16 bộ phận với kết cấu rỗng và các đường uốn lượn phức tạp.
Ngoài phương pháp ngâm bể, các nhà khoa học còn thử nghiệm dùng cánh tay robot phun luân phiên cát, vi khuẩn và chất tạo khoáng trực tiếp. Cách làm này lấy cảm hứng từ quá trình hình thành của đá trầm tích stromatolite ngoài tự nhiên.
Dù mang lại tiềm năng to lớn trong việc sản xuất tấm che nắng hay vách ngăn, vật liệu sinh học này hiện vẫn chưa đủ độ bền để ứng dụng cho các kết cấu chịu lực cốt lõi của công trình.
Bên cạnh đó, quá trình vi khuẩn phân giải urê tạo khoáng sẽ sinh ra khí amoni. Nhóm nghiên cứu cho biết thách thức lớn nhất trong thời gian tới là phải tìm ra giải pháp xử lý triệt để loại khí phụ phẩm này trước khi đưa vật liệu vào ứng dụng thương mại.
Công nghệ in 3D kết hợp vi khuẩn tạo khoáng
Thay vì dùng xi măng truyền thống, nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Karen Antorveza Paez dẫn đầu đã sử dụng vi khuẩn Sporosarcina pasteurii làm chất kết dính. Quá trình này mô phỏng cơ chế hóa thạch tự nhiên, giúp liên kết chặt chẽ các hạt cát lại với nhau.
Cánh tay robot phun vi khuẩn và các chất tạo khoáng lên bề mặt để định hình khối vật liệu. Ảnh: ETH Zurich
Để hiện thực hóa, nhóm đã trộn lẫn cát và vi khuẩn sống thành một hỗn hợp gel giống như mực in. Máy in 3D sau đó sẽ đùn hỗn hợp này thành từng lớp xếp chồng lên nhau theo đúng thiết kế bản vẽ.
Quá trình vôi hóa tự nhiên ở nhiệt độ phòng
Sau khi in xong, khối sản phẩm dạng mềm sẽ được đưa vào ngâm trong bể dung dịch chứa urê và canxi clorua. Tại đây, vi khuẩn tiết ra enzyme phân giải urê để tạo thành canxi cacbonat, thành phần chính cấu tạo nên đá vôi.
Các tinh thể khoáng chất siêu nhỏ sẽ len lỏi, đan cài giữa các hạt cát và ở ranh giới các lớp in để hóa cứng toàn bộ khối vật liệu. Quá trình này diễn ra từ 2 đến 5 ngày ở nhiệt độ phòng bình thường, hoàn toàn không cần nung nóng gây tốn kém năng lượng.
Tấm vách rộng 1m² được chế tạo thành công nhờ sự kết dính sinh học từ vi sinh vật. Ảnh: ETH Zurich
Nhờ cơ chế này, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công một tấm vách rộng 1m² được ghép từ 16 bộ phận với kết cấu rỗng và các đường uốn lượn phức tạp.
Ngoài phương pháp ngâm bể, các nhà khoa học còn thử nghiệm dùng cánh tay robot phun luân phiên cát, vi khuẩn và chất tạo khoáng trực tiếp. Cách làm này lấy cảm hứng từ quá trình hình thành của đá trầm tích stromatolite ngoài tự nhiên.
Thách thức về khả năng chịu lực và môi trường
Dù mang lại tiềm năng to lớn trong việc sản xuất tấm che nắng hay vách ngăn, vật liệu sinh học này hiện vẫn chưa đủ độ bền để ứng dụng cho các kết cấu chịu lực cốt lõi của công trình.
Bên cạnh đó, quá trình vi khuẩn phân giải urê tạo khoáng sẽ sinh ra khí amoni. Nhóm nghiên cứu cho biết thách thức lớn nhất trong thời gian tới là phải tìm ra giải pháp xử lý triệt để loại khí phụ phẩm này trước khi đưa vật liệu vào ứng dụng thương mại.
Nguồn: Tổng hợp từ báo Tuổi Trẻ
