Nhóm MIT đã phát triển một vật liệu tổng hợp dựa trên thực vật cứng như nhôm

Bộ phận rắn rỏi nhất của cây không phải gốc hay rễ, mà chính là thành của những tế bào mang kích cỡ hiển vi.

Một tế bào gỗ đơn lẻ cấu thành từ những sợi cellulose - là thứ polymer tự nhiên dẻo dai, và cũng là thành phần làm nên cấu trúc của mọi thực vật. Trong mỗi sợi vật chất đó là tinh thể nano cellulose gia cố (reinforcing cellulose nanocrystal, hay CNC); chúng là những chuỗi polymer hữu cơ xếp thành những hình tinh thể cận hoàn hảo.

Ở quy mô nano, CNC rắn chắc hơn áo giáp Kevlar, và có tiềm năng sản sinh ra những loại nhựa tự nhiên dẻo dai hơn, thân thiện hơn với môi trường.

Một lớp tinh thể nano cellulose trong đĩa petri.

Để đạt mục tiêu đó, một nhóm các nhà nghiên cứu tại MIT đã tạo ra một chất tổng hợp làm từ các tinh thể cellulose kết hợp với một chút polymer nhân tạo. Số tinh thể hữu cơ chiếm từ 60-90% thành phần cấu tạo vật chất; các nhà khoa học đồng thời lập kỷ lục khi tạo ra số vật chất chứa nhiều CNC nhất từ trước tới nay.

Vật chất mới cứng chắc hơn một số dạng xương rắn rỏi, và cũng cứng rắn hơn hợp kim nhôm vẫn được dùng trong chế tác. Vi cấu trúc của vật liệu mới có thể so sánh được với lớp xà cừ trắng bóng thường thấy trong vỏ của động vật thân mềm.

Lớp xà cừ trắng bóng trong vỏ ốc.

Công thức chế tạo hợp chất chứa CNC mới cho phép các nhà khoa học vừa có thể in 3D vật chất, lại vừa có thể đúc vật liệu theo cách thông thường. “Bằng cách tạo ra hợp chất chứa một lượng lớn CNC, chúng tôi có thể đưa những đặc tính chưa từng có vào các vật liệu gốc polymer”, A. John Hart, giáo sư công tác trong dự án mới cho hay. 

“Nếu ta có thể thay thế những loại nhựa gốc dầu hỏa với cellulose gốc tự nhiên, điều này sẽ có thể cải thiện [thể trạng] hành tinh”.

Một tổ hợp dẻo linh hoạt

Mỗi năm, các dây chuyền sản xuất công nghiệp tổng hợp được hơn 10 tấn cellulose từ vỏ cây, gỗ và lá của thực vật. Đa số chúng được dùng trong sản xuất giấy hoặc vải dệt, một phần nhỏ được dùng trong chế biến thực phẩm hay mỹ phẩm.

Chất gỗ lignin chứa tinh thể nano cellulose.

Những năm gần đây, khoa học bắt đầu để mắt tới cấu trúc tinh thể nano của cellulose, vốn có thể được chiết xuất dễ dàng nhờ acid hydrolysis. Tuy nhiên, nỗ lực bổ sung CNC vào vật chất vẫn còn gặp nhiều trở ngại, khi thứ tinh thể này có xu hướng vón cục, không bám chắc lấy những phân tử polymer.

Giáo sư Hart và các cộng sự vẫn đau đáu tìm cách tạo ra một vật liệu tổng hợp chứa mức CNC cao, có thể được nhào nặn dễ dàng thành những hình dáng có lợi. Họ dự định trộn CNC và polymer vào thành một thứ gel dẻo quánh, dùng được cho máy in 3D hoặc đổ vào khuôn đúc. Sử dụng công nghệ siêu thanh để khử những phần vón cục, nhóm đã có thể giúp tổ hợp chất kết dính với nhau hiệu quả hơn.

“Về cơ bản, chúng tôi phân rã gỗ ra rồi tổng hợp lại chúng”, nhà nghiên cứu Abhinav Rao nhận định. “Chúng tôi lấy phần tốt nhất của gỗ, tức là tinh thể nano cellulose, và tái cấu trúc chúng thành một vật liệu tổng hợp mới”.

Vật liệu rắn chắc

Khi khám phá cấu trúc của hợp chất dưới kính hiển vi, nhóm phát hiện ra những hạt cellulose đã được sắp xếp thành cấu trúc tương tự như lớp xà cừ có trong vỏ nhiều động vật thân mềm. Vốn dĩ, cấu trúc dạng này sẽ chống chịu tốt trước các vết nứt, khiến vật liệu mới thêm phần rắn chắc.

Khối vật chất được in 3D từ vật liệu mới, với đặc tính rắn không khác gì nhôm dùng trong công nghiệp.

Khi đưa vào thử nghiệm, nhóm thấy rằng những hạt cellulose giúp vật liệu không vỡ làm đôi dù bị nứt. Khả năng chống chịu khiến vật liệu trở thành tổ hợp chất tiềm năng, mang trong mình sự cứng cáp, dẻo dai của cả kim loại và nhựa.

Trong tương lai gần, nhóm nghiên cứu tiếp tục tìm cách hạn chế việc vật liệu giảm thể tích khi đông cứng. Ở quy mô lớn, việc giảm thể tích có thể khiến cấu trúc vật thể mất tính ổn định.

“Nếu như có thể ngăn ngừa vật liệu teo lại, chúng ta có thể tiếp tục tăng quy mô dự án, với vật thể có thể lên tới hàng mét”, nhà nghiên cứu Rao nhận định. “Nếu mơ đủ lớn, chúng tôi còn có thể thay thế một phần đáng kể nhựa với chất tổng hợp từ cellulose”.