BioStrong Wood: Siêu gỗ mạnh hơn thép

2 giờ trướcBài gốc

Gỗ có thể thay thế cho các vật liệu không thể tái tạo và gây ô nhiễm nặng nề.

BioStrong Wood, một phát minh mới kết hợp công nghệ sinh học và xử lý nhiệt, đang tạo ra bước ngoặt trong ngành vật liệu khi cho ra đời loại gỗ có độ bền kéo vượt thép không gỉ nhưng nhẹ hơn nhiều.

Quy trình chế tạo mô phỏng hiện tượng biến đổi tự nhiên của những thân gỗ bị chôn vùi hàng thế kỷ dưới bùn lầy, đồng thời sử dụng nấm và nhiệt độ cao để tái cấu trúc vi mô. Nếu được thương mại hóa ở quy mô công nghiệp, vật liệu này không chỉ có khả năng thay thế thép và nhựa trong nhiều ứng dụng, mà còn góp phần giảm đáng kể lượng khí thải CO2 toàn cầu.

Từ cảm hứng “gỗ cổ chôn vùi”

Tính chất thân thiện với môi trường của BioStrong Wood phù hợp với xu hướng ngày càng chú trọng đến tính bền vững và ý thức bảo vệ môi trường trong các hoạt động sản xuất hiện đại. Bằng cách cung cấp một giải pháp thay thế khả thi cho các vật liệu truyền thống mà không ảnh hưởng đến hiệu suất, BioStrong Wood minh họa cho khả năng của công nghệ xanh và các nguyên tắc kinh tế tuần hoàn.

Nguồn cảm hứng của công nghệ này đến từ những khối “gỗ cổ chôn vùi” quý hiếm. Khi cây ngã xuống vùng đất ngập nước, bị vùi lấp dưới bùn, thiếu oxy và chịu tác động của vi sinh vật, chúng trải qua một quá trình biến đổi chậm rãi: Cấu trúc trở nên đặc chắc, màu sắc sẫm hơn và khoáng hóa.

Sau hàng trăm năm, loại gỗ này có khả năng chống mục nát và sở hữu bề mặt óng ánh như đá cẩm thạch. Lấy cảm hứng từ quá trình ấy, các nhà khoa học tại Đại học Xứ Basque (Tây Ban Nha), Đại học Vũ Hán và Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã tìm cách tái tạo hiện tượng này trong phòng thí nghiệm theo hướng nhanh chóng, sạch sẽ và có thể mở rộng sản xuất.

Kết quả là BioStrong Wood - một loại gỗ được gia cường bằng nấm và nhiệt, đạt độ bền kéo cao hơn thép không gỉ SAE 304 vốn rất phổ biến trong công nghiệp, trong khi khối lượng nhẹ hơn đáng kể. Theo nhóm nghiên cứu, đây không chỉ là vật liệu tổng hợp thông minh, mà còn là một bước tiến quan trọng hướng tới các giải pháp vật liệu bền vững, tuần hoàn, thay thế cho những vật liệu không tái tạo và gây ô nhiễm vốn đang được sử dụng rộng rãi.

Dù gỗ đã gắn bó với đời sống con người hàng nghìn năm, các ngành kỹ thuật hiện đại vẫn ưu tiên thép, nhôm hoặc nhựa có nguồn gốc từ dầu mỏ vì gỗ tồn tại những nhược điểm cố hữu như xốp, dễ hút ẩm và độ đồng đều thấp, khiến nó thường chỉ được dùng cho kết cấu cơ bản thay vì các chi tiết kỹ thuật cao.

Giáo sư Erlantz Lizundia, đồng tác giả nghiên cứu, cho rằng tiềm năng của gỗ vẫn chưa được khai thác đầy đủ. Ông nhấn mạnh gỗ là một trong những vật liệu sinh học phổ biến nhất nhưng gần như chưa được khám phá cho các mục đích đòi hỏi hiệu năng cao.

Nếu khắc phục được các nhược điểm, gỗ hoàn toàn có thể thay thế vật liệu gốc hóa thạch trong nhiều lĩnh vực, vừa thân thiện môi trường, vừa có khả năng lưu trữ carbon và quan trọng hơn, nó có thể tái sinh từ cây.

Để tăng tốc quá trình biến đổi tự nhiên của gỗ cổ chôn vùi, nhóm nghiên cứu đã phát triển quy trình gồm ba giai đoạn. Trước tiên, gỗ bạch dương và thông radiata - hai loại cây phát triển nhanh - được cấy nấm mục trắng. Loại nấm này phá vỡ có chọn lọc các liên kết ether trong lignin, thành phần gắn kết các sợi cellulose, giúp làm lỏng cấu trúc vi mô nhưng vẫn giữ nguyên khung cellulose cứng cáp.

Tiếp đó, gỗ được rửa bằng dung dịch kiềm nhẹ nhằm dừng quá trình phân hủy của nấm và loại bỏ các phân tử khối lượng thấp, tạo điều kiện hình thành liên kết hóa học mới. Cuối cùng, các tấm gỗ được xếp chồng và ép nóng ở nhiệt độ trên 180°C dưới áp suất cao, khiến thành tế bào bị nghiền nát, lỗ rỗng biến mất, lignin bị phân mảnh và tái kết hợp thành các liên kết carbon - carbon mới, tạo nên khối gỗ đặc, cứng như sừng.

Phương pháp sinh học - nhiệt - cơ học này giữ lại tới 85% khối lượng ban đầu, cao hơn nhiều so với các loại “gỗ siêu cấp” khác vốn cần tách lignin bằng axit và tiêu tốn nhiều dung môi, năng lượng.

BioStrong Wood - một loại gỗ được gia cường bằng nấm và nhiệt, có độ bền kéo cao hơn cả thép không gỉ SAE 304.

BioStrong Wood có thể sản xuất với chi phí thấp, hiệu quả cao và ít phát thải.

Sức mạnh vượt thép trong thử nghiệm

Kết quả thử nghiệm cơ học cho thấy, BioStrong Wood có thể chịu được ứng suất kéo lên tới 530 MPa, vượt thép không gỉ SAE 304 (520 MPa) và hấp thụ năng lượng gãy vỡ cao gấp hơn 11 lần gỗ nguyên bản. Độ bền uốn gấp 3 lần so với gỗ thô, vật liệu vẫn giữ nguyên độ cứng khi trải qua chu trình nhiệt độ từ -196 độ C đến 120 độ C.

Bề mặt có góc tiếp xúc nước gần 140 độ, giúp chống ẩm hiệu quả và hạn chế trương nở, mốc ngay cả trong thử nghiệm thời tiết tăng tốc. Hình ảnh từ kính hiển vi điện tử quét cho thấy cấu trúc vi mô đã tái cấu trúc hoàn toàn, các lỗ xốp hầu như biến mất, còn phần lignin tái cấu trúc hoạt động như keo epoxy ở cấp độ phân tử, kết dính cellulose và bịt kín đường thấm nước hoặc oxy.

Điểm nổi bật khác của BioStrong Wood là tính bền vững vượt trội. Phân tích vòng đời cho thấy mỗi kilogram BioStrong Wood hấp thụ ròng khoảng 1,2kg CO2, con số đã tính cả năng lượng, hóa chất và nuôi cấy nấm. Điều này trái ngược hoàn toàn với thép, vốn thải ra 1,9kg CO2 cho mỗi kilogram sản xuất, hay nhựa sợi thủy tinh với mức 5kg CO2.

Chi phí sản xuất tiềm năng chỉ khoảng 2 nhân dân tệ mỗi kilogram, rẻ hơn nhiều so với các loại polymer dùng trong hàng không vũ trụ và đủ sức cạnh tranh với gỗ ép truyền thống. Giáo sư Erlantz Lizundia khẳng định, nhóm đã chứng minh có thể tạo ra vật liệu vừa có hiệu năng cơ học cực cao, vừa khả thi về kinh tế, đồng thời đóng góp tích cực vào việc lưu trữ carbon.

Các nhà khoa học đang tạo ra siêu gỗ: Bền hơn thép, nhẹ hơn bao giờ hết.

Tiềm năng định hình tương lai vật liệu xanh

Những ứng dụng tiềm năng của BioStrong Wood rất đa dạng, từ vỏ xe, lõi dụng cụ thể thao, ốp điện thoại chống va đập đến dầm chịu lực mang vẻ đẹp của gỗ hóa thạch hoặc vật liệu cách nhiệt cryo nhờ khả năng chống sốc nhiệt. Quy trình chế tạo có thể áp dụng cho nhiều loại gỗ cứng và mềm, mở ra cơ hội tận dụng phế liệu rừng trong nước thay vì nhập khẩu thép hay nhựa.

Tuy vậy, để mở rộng sản xuất, cần phát triển công nghệ ép liên tục, hệ thống nuôi nấm công nghiệp tốc độ cao và quy trình kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt nhằm chuẩn hóa nguyên liệu. Các tiêu chuẩn xây dựng cũng yêu cầu đánh giá khả năng chống cháy, vốn là thách thức chung với gỗ ép đặc.

Ngoài ra, nhóm nghiên cứu đề xuất phát triển phương án xử lý khi vật liệu kết thúc vòng đời sử dụng, chẳng hạn nhiệt phân có kiểm soát để tái sinh thành than sinh học. Hiện tại, các thử nghiệm đang được mở rộng sang nhiều loại nấm khác và rút ngắn thời gian nuôi cấy từ vài ngày xuống chỉ vài giờ để đáp ứng nhu cầu công nghiệp.

Câu chuyện của BioStrong Wood phản ánh xu hướng dịch chuyển lớn trong ngành vật liệu: Tìm kiếm nguồn nguyên liệu sinh học hiệu năng cao để thay thế vật liệu phát thải lớn trong các ứng dụng kết cấu.

Từ bọt nấm, màng cellulose từ vi khuẩn đến gỗ gia cường bằng nấm, kho vật liệu sinh học tiên tiến ngày càng phong phú. Nghiên cứu này chứng minh khi để tự nhiên đảm nhận một phần phản ứng hóa học, con người có thể vượt qua giới hạn truyền thống của gỗ, đạt tới sức mạnh ngang thép mà không phải trả cái giá carbon của thép.

Nếu các thử nghiệm quy mô thành công, những tấm ván đóng pallet hôm nay hoàn toàn có thể trở thành trụ đỡ tòa nhà chọc trời hoặc vỏ tên lửa ngày mai. Ngay cả trong kỹ thuật tiên tiến, gỗ - nếu được xử lý đúng cách - vẫn có thể cạnh tranh sòng phẳng với kim loại.

Thông qua sự kết hợp hài hòa giữa các phương pháp xử lý cơ học, hóa học và sinh học, BioStrong Wood là sự kết hợp hài hòa giữa thiết kế lấy cảm hứng từ thiên nhiên và công nghệ tiên tiến. Sự hội tụ của các chuyên ngành này đã tạo ra một vật liệu không chỉ vượt qua những giới hạn thông thường, mà còn thiết lập một tiêu chuẩn mới cho vật liệu hiệu suất cao.

Theo Earth/Science

Hải Yến

Nguồn GD&TĐ : https://giaoducthoidai.vn/biostrong-wood-sieu-go-manh-hon-thep-post749859.html