Cánh tay robot lần lượt phủ vi khuẩn, các chất khoáng hóa dùng để hình thành đá vôi, cùng với cát lên một bề mặt, lặp đi lặp lại quy trình này để bồi đắp độ cao theo từng lớp một (Ảnh: ETH Zurich)

Quá trình sản xuất xi măng là một trong những nguồn phát thải CO2 lớn của ngành xây dựng. Tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ ở Zurich (ETH Zurich), nhà nghiên cứu Karen Antorveza Paez đang phát triển một phương pháp thay thế, sử dụng vi khuẩn để liên kết các hạt cát thành những kết cấu rắn chắc mà không cần cung cấp nhiệt.

Phương pháp này dựa trên quá trình kết tủa calcite do vi sinh vật kích thích (MICP), còn gọi là xi măng sinh học. Khi được kết hợp với cát và các hạt rắn khác, một số loại vi khuẩn có thể tạo ra các tinh thể canxi carbonate, hay đá vôi, giúp liên kết những hạt vật liệu với nhau.

Từ lâu, loại vi khuẩn Sporosarcina pasteurii đã được sử dụng trong nghiên cứu nhằm gia cố nền đất yếu và tạo ra bê tông có khả năng tự bịt kín vết nứt. Điểm mới trong nghiên cứu của bà Antorveza Paez nằm ở cách kiểm soát quá trình sinh học này để tạo ra vật liệu kiến trúc độc lập, thay vì chỉ bổ sung vi khuẩn vào các vật liệu xây dựng truyền thống.

Trong luận án tiến sĩ tại ETH Zurich, bà Antorveza Paez đã phát triển hai phương pháp chế tạo khác nhau, kết hợp xi măng sinh học với công nghệ sản xuất kỹ thuật số.

In 3D bằng vật liệu chứa vi khuẩn

Ở phương pháp thứ nhất, bà cùng nhóm nghiên cứu đã tạo ra một loại mực sinh học gồm gel có thành phần chính là nước, các chất tự nhiên như alginate và xanthan, cát cùng vi khuẩn sống. Hỗn hợp này có thể được in thành hình dạng mong muốn bằng công nghệ in 3D.

Sau khi in, vật thể được ngâm trong dung dịch urê và canxi clorua. Vi khuẩn sử dụng enzyme urease để phân hủy urê, tạo ra các ion carbonate. Những ion này kết hợp với canxi trong dung dịch, hình thành canxi carbonate.

Các tinh thể đá vôi hình thành giữa những hạt cát, đan xen với nhau và giữ chúng cố định. Nhờ đó, kết cấu dần trở nên cứng chắc mà không cần nung nóng.

Quá trình khoáng hóa thường kéo dài từ 2 đến 5 ngày, tùy thuộc vào độ bền cần đạt được. Trong thời gian này, nhóm nghiên cứu phải bổ sung dung dịch khoáng hóa mỗi ngày để cung cấp các chất cần thiết cho vi khuẩn. Sau đó, vật thể được làm khô ở nhiệt độ phòng, hoàn tất quá trình tạo cứng.

Theo bà Antorveza Paez, quá trình này tương tự như việc nướng bánh: hỗn hợp ban đầu còn mềm và dễ biến dạng, nhưng dần trở nên rắn chắc nhờ hoạt động của vi khuẩn. Phương pháp đã được dùng để chế tạo một bộ phận mặt đứng công trình, có thể ứng dụng làm tấm chắn nắng hoặc tường ngăn.

Robot tự động tạo kết cấu từ cát

Phương pháp thứ hai sử dụng cánh tay robot để phun lần lượt vi khuẩn, các thành phần khoáng hóa và cát lên bề mặt. Các lớp vật liệu được đắp chồng lên nhau, tạo thành kết cấu phân tầng lấy cảm hứng từ stromatolite – dạng cấu trúc đá trầm tích hình thành khi vi sinh vật tích tụ khoáng chất trong tự nhiên.

Khác với phương pháp in 3D, kỹ thuật phun không cần công đoạn ngâm vật thể trong bể dung dịch. Robot trực tiếp đưa các thành phần cần thiết vào vị trí, cho phép tự động hóa quá trình tạo vật liệu.

Tại Triển lãm Kiến trúc Biennale Venice năm 2025, nhóm nghiên cứu đã vận hành quy trình này liên tục trong 6 tháng, giúp khách tham quan theo dõi quá trình hình thành kết cấu.

“Chúng tôi đã chứng minh rằng toàn bộ quy trình sản xuất xi măng sinh học có thể được tự động hóa”, bà Antorveza Paez cho biết.

Nhà nghiên cứu cho biết, hai phương pháp này phục vụ những mục đích khác nhau. Công nghệ in 3D phù hợp hơn với việc chế tạo các cấu kiện kiến trúc, trong khi kỹ thuật phun bằng robot hướng đến tạo bề mặt. Tuy nhiên, phương pháp phun vẫn cần được nghiên cứu thêm để đánh giá đặc tính cơ học và cách các hạt vật liệu, chất kết dính phân bố bên trong kết cấu.

Thành phẩm được tạo ra bởi vi khuẩn (Ảnh: ETH Zurich)

Vẫn còn những thách thức

Dù có tiềm năng giảm nhu cầu nung vật liệu ở nhiệt độ cao, xi măng sinh học vẫn cần được đánh giá kỹ về tác động môi trường. Một vấn đề đáng chú ý là ammonium, sản phẩm phụ hình thành khi vi khuẩn phân hủy urê, có thể gây hại cho môi trường.

Bà Antorveza Paez đang nghiên cứu các giải pháp xử lý vấn đề này. Theo bà, nếu không tính đến việc kiểm soát và xử lý ammonium ngay từ khâu thiết kế quy trình, xi măng sinh học khó có thể được xem là giải pháp xây dựng bền vững.

Độ bền của vật liệu cũng là một thách thức. Theo nhà nghiên cứu, xi măng sinh học hiện có đặc tính gần với vữa hơn là bê tông. Trong khi công thức bê tông đã được nghiên cứu, hoàn thiện qua hơn một thế kỷ, việc xác định tỷ lệ và kích thước hạt phù hợp để tạo ra xi măng sinh học ổn định vẫn đang ở giai đoạn đầu.

Theo nhóm nghiên cứu, thách thức hiện nay không chỉ là việc chứng minh vi khuẩn có thể liên kết các hạt cát, mà còn phải kiểm soát tốt các đặc tính của vật liệu để đáp ứng yêu cầu sử dụng trong xây dựng.

Nghiên cứu của bà Antorveza Paez mở ra hướng tiếp cận mới, tận dụng các quá trình tự nhiên kết hợp với công nghệ chế tạo hiện đại, song việc ứng dụng rộng rãi vẫn cần thêm những nghiên cứu về độ bền và tác động môi trường.