Chỉ với nước, dầu và máy ly tâm, các nhà khoa học tạo ra vật liệu có thể thay đổi y học và AI

Các nhà nghiên cứu đã thiết kế ra vật liệu mới có thể in 3D. Ảnh: IE.

Một chút nước, vài giọt dầu và một chiếc máy ly tâm thông thường có thể là chìa khóa để tạo ra nội tạng nhân tạo, thu hồi kim loại quý từ pin cũ, thậm chí đặt nền móng cho máy tính mô phỏng não người.

Nghe giống một thí nghiệm giả tưởng, nhưng các kỹ sư tại Đại học Texas ở Austin (Mỹ) đã biến công thức đơn giản này thành hiện thực khi phát triển thành công một loại vật liệu in 3D có khả năng mô phỏng cơ chế chọn lọc của mô sinh học.

Nhóm nghiên cứu cho biết công nghệ mới có thể tạo ra những cấu trúc giống mô sống với quy mô lớn chỉ trong vài phút, thay vì mất nhiều giờ hoặc nhiều ngày như các phương pháp trước đây.

Khoa học từ chiếc máy ly tâm

Một trong những thách thức lớn nhất của ngành khoa học vật liệu suốt hơn một thập kỷ qua là làm sao tạo ra các cấu trúc mô sinh học ở quy mô lớn.

Trước đây, các nhà nghiên cứu chỉ có thể chế tạo những cấu trúc cực nhỏ ở cấp độ vi mô. Khi mở rộng chúng lên kích thước đủ lớn để ứng dụng thực tế, quá trình trở nên rất chậm, tốn kém và khó kiểm soát.

Bước đột phá đến từ Aida Fica, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Texas ở Austin. Sau khi kết nối nhiều ý tưởng thu nhận được tại một hội nghị khoa học, bà cùng các cộng sự đã phát triển một quy trình hoàn toàn mới.

Họ sử dụng hai loại dầu có khả năng hòa tan khác nhau để tạo ra vô số giọt nước siêu nhỏ, sau đó dùng máy ly tâm nén chúng lại thành một mạng lưới dày đặc gồm hàng tỷ vi giọt chỉ trong vài phút.

Mỗi giọt nước đều được bao bọc bởi một lớp màng cực mỏng và liên kết với các giọt xung quanh, tạo nên cấu trúc rất giống cách các tế bào thật tập hợp để hình thành mô và cơ quan trong cơ thể người.

Theo giáo sư Manish Kumar, thuộc Trường Kỹ thuật Cockrell của Đại học Texas ở Austin, chính khả năng này giúp vật liệu mới hoạt động gần giống mô sinh học.

"Các mô sinh học có thể chọn lọc và vận chuyển ion cũng như các phân tử. Đó là cách thận hay ruột của chúng ta hoạt động, chỉ hấp thụ những gì cần thiết và loại bỏ phần còn lại," ông nói.

Có thể làm thay đổi nhiều ngành công nghiệp

Nhờ được tạo thành từ các vật liệu tương thích sinh học và có thể in 3D dễ dàng, nền tảng mới được đánh giá có tiềm năng ứng dụng trong hàng loạt lĩnh vực.

Trong y học, cấu trúc mềm dẻo giống mô sống có thể hỗ trợ nuôi cấy mô, phát triển nội tạng cấy ghép hoặc tạo ra các mô hình sinh học phục vụ nghiên cứu bệnh tật và thử nghiệm thuốc.

Đối với robot mềm, vật liệu này cho phép chế tạo những robot có khả năng di chuyển linh hoạt trong cơ thể người hoặc trong các môi trường nguy hiểm mà không gây tổn hại tới các mô xung quanh.

Nhóm nghiên cứu còn cho biết nếu tích hợp thêm các protein chuyên biệt, vật liệu có thể dẫn truyền dòng điện ion tương tự hệ thần kinh sinh học, mở ra hướng phát triển các hệ thống tính toán lấy cảm hứng từ não người (neuromorphic computing) – một trong những hướng nghiên cứu AI được quan tâm nhất hiện nay.

Ở lĩnh vực môi trường, vật liệu có thể được thiết kế như các màng lọc thông minh để tách các kim loại có giá trị như lithium từ pin đã qua sử dụng, đồng thời loại bỏ các chất ô nhiễm như ion amoni trong nước thải công nghiệp.

Theo Aida Fica, ưu điểm lớn nhất của công nghệ nằm ở tính đơn giản.

"Công nghệ này mang đến một quy trình đơn giản, có khả năng mở rộng với vô số ứng dụng. Bất kỳ phòng thí nghiệm nào cũng có thể triển khai vì chỉ cần những thiết bị cơ bản," bà nói.

Điều đáng chú ý là toàn bộ quy trình không cần phòng sạch chuyên dụng hay các hệ thống laser đắt đỏ vốn thường xuất hiện trong ngành sản xuất vật liệu tiên tiến.

Hiện nhóm nghiên cứu đang hợp tác với Cơ quan Các dự án nghiên cứu năng lượng tiên tiến (ARPA-E) thuộc Bộ Năng lượng Mỹ để ứng dụng công nghệ này trong việc thu hồi lithium và các nguyên tố đất hiếm từ nguồn chất thải.

Aida Fica và giáo sư Manish Kumar cũng đã hoàn tất đăng ký bằng sáng chế cho quy trình chế tạo, mở đường để các phòng thí nghiệm trên thế giới tiếp tục thử nghiệm và phát triển thế hệ vật liệu mô nhân tạo mới trong tương lai.