Siêu vật liệu mới từ vi khuẩn với đặc tính của nhựa, kim loại và thủy tinh

Vật liệu đa chức năng, có độ bền cao chế tạo từ cellulose vi khuẩn. Ảnh: Sciencedaily

Ô nhiễm từ rác thải nhựa là một trong những vấn đề môi trường nhức nhối nhất hiện nay. Các polymer tổng hợp không chỉ tồn tại lâu dài mà còn phân rã thành microplastic, giải phóng hóa chất độc hại như BPA, phthalate và các chất có nguy cơ gây ung thư.

Trong nỗ lực tìm kiếm giải pháp thay thế, các nhà khoa học tại Đại học Rice và Đại học Houston đã tập trung vào cellulose vi khuẩn, một loại biopolymer tự nhiên, tinh khiết và dễ phân hủy, để tạo ra vật liệu bền vững, thân thiện với môi trường.

Thông thường, các sợi cellulose vi khuẩn hình thành một cách ngẫu nhiên nên thiếu tính ổn định và độ bền không cao. Để khắc phục, nhóm nghiên cứu đã phát triển một thiết bị gọi là "lò phản ứng quay sinh học", có khả năng điều hướng chuyển động của vi khuẩn trong quá trình tổng hợp vật liệu.

Tiến sĩ M.A.S.R. Saadi, tác giả chính của nghiên cứu, ví quá trình này như "huấn luyện một đội quân vi khuẩn có kỷ luật". Thay vì để vi khuẩn tự do di chuyển, họ "hướng dẫn" chúng đi theo hướng nhất định, giúp sắp xếp chính xác các sợi nano cellulose.

Kết quả là nhóm thu được các tấm vật liệu có độ bền kéo lên tới 436 megapascal, đánh dấu bước đột phá lớn về tính cơ học của vật liệu sinh học.

Siêu vật liệu mới với các đặc tính cơ học vượt trội

Không chỉ bền, vật liệu này còn linh hoạt, có thể gập lại, trong suốt và dễ phân hủy sinh học. Đặc biệt, khi bổ sung các lớp nano boron nitride, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một phiên bản vật liệu lai có độ bền lên tới 553 megapascal, đồng thời tản nhiệt nhanh gấp ba lần mẫu đối chứng.

Tiến sĩ Saadi cho biết, nhờ phương pháp tổng hợp sinh học động, vật liệu mới có thể tích hợp trực tiếp nhiều phụ gia nano khác nhau. Điều này giúp tùy chỉnh các đặc tính theo từng ứng dụng, mở rộng phạm vi sử dụng của vật liệu vượt xa so với nhựa hoặc kim loại.

Khả năng ứng dụng rộng rãi

Một ưu điểm lớn của quy trình này là khả năng mở rộng quy mô công nghiệp, chỉ cần thực hiện trong một bước duy nhất. Theo Tiến sĩ Muhammad Maksud Rahman - Đại học Houston, siêu vật liệu từ cellulose vi khuẩn có thể sớm được ứng dụng trong nhiều ngành như: bao bì sinh học, vật liệu xây dựng, dệt may, điện tử xanh và lưu trữ năng lượng.

Các nhà nghiên cứu tin rằng, nếu được thương mại hóa, vật liệu này sẽ thay thế được phần lớn nhựa hiện nay và giúp giảm đáng kể lượng rác thải không phân hủy.

Mạnh Chiến