Trong nỗ lực giải quyết cuộc khủng hoảng ô nhiễm nhựa toàn cầu, các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice và Đại học Houston (Mỹ) đã tạo ra một loại vật liệu bionanocomposite mới có thể thay thế nhựa truyền thống, nhưng với đặc tính cơ học vượt xa cả kim loại và thủy tinh.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học Nature Communications, giới thiệu một phương pháp sinh học tiên tiến giúp căn chỉnh chính xác các sợi nano cellulose do vi khuẩn sản sinh ngay trong quá trình tổng hợp. Kết quả là đã cho ra một tấm vật liệu sinh học siêu bền, có độ dẻo, trong suốt và thân thiện với môi trường.

"Siêu vật liệu" có độ bền chắc như một số kim loại và thủy tinh nhưng vẫn linh hoạt, có thể gập lại, trong suốt và thân thiện với môi trường.

Giải pháp bền vững thay thế nhựa

Hiện nay, các loại nhựa tổng hợp phổ biến vẫn là nguồn gây ô nhiễm lớn khi phân hủy tạo ra vi nhựa và giải phóng các hóa chất độc hại như BPA, phthalates và cả các hợp chất có khả năng gây ung thư. Trong khi đó, cellulose vi khuẩn - một loại polyme sinh học tinh khiết và phong phú trong tự nhiên – lại có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn và an toàn cho sức khỏe.

Nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi Muhammad Maksud Rahman – phó giáo sư kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ tại Đại học Houston và phó giáo sư liên kết khoa học vật liệu và công nghệ nano tại Đại học Rice, đã tập trung phát triển một quy trình có thể mở rộng quy mô sản xuất vật liệu từ nguồn cellulose này. Trọng tâm của công trình là phát minh ra một lò phản ứng sinh học quay có khả năng kiểm soát hướng di chuyển của vi khuẩn trong quá trình tạo cellulose.

“Thay vì để vi khuẩn sản sinh sợi cellulose một cách ngẫu nhiên, chúng tôi định hướng chuyển động của chúng theo trật tự, từ đó tạo ra các sợi được căn chỉnh đồng đều, tăng độ bền cơ học một cách đáng kể”, M.A.S.R. Saadi – nghiên cứu sinh tiến sĩ và tác giả chính của công trình – cho biết.

Độ bền vượt trội kim loại và thủy tinh

Thông thường, các sợi cellulose vi khuẩn hình thành tự phát, khiến vật liệu dễ bị hạn chế về độ bền và tính ứng dụng. Tuy nhiên, nhờ công nghệ căn chỉnh sợi trong lò phản ứng mới, các nhà khoa học đã sản xuất được các tấm vật liệu có độ bền kéo lên tới 436 megapascal (MPa) – mức tương đương hoặc vượt trội so với nhiều loại kim loại nhẹ và thủy tinh.

Không dừng lại ở đó, nhóm nghiên cứu còn tăng cường hiệu suất vật liệu bằng cách tích hợp các tấm nano boron nitride trong quá trình tổng hợp, giúp tạo ra một phiên bản vật liệu lai có độ bền kéo lên đến 553 MPa, đồng thời có khả năng tản nhiệt nhanh gấp 3 lần so với mẫu đối chứng.

“Quy trình này cho phép tích hợp linh hoạt nhiều chất phụ gia nano trực tiếp vào cellulose trong lúc tổng hợp, từ đó giúp tùy chỉnh đặc tính vật liệu cho các ứng dụng chuyên biệt”, Saadi nhấn mạnh.

Ông mô tả quy trình này giống như việc “huấn luyện một đội quân vi khuẩn có kỷ luật” bằng cách hướng dẫn chúng hoạt động theo một quỹ đạo cụ thể, từ đó tạo ra vật liệu sinh học có độ chính xác và chất lượng cao chưa từng có.

Tiềm năng ứng dụng công nghiệp rộng lớn

Phương pháp sản xuất đơn bước, có khả năng mở rộng này được kỳ vọng sẽ tạo đột phá trong nhiều lĩnh vực: từ sản xuất vật liệu kết cấu, giải pháp quản lý nhiệt, bao bì thân thiện môi trường, dệt may công nghệ cao, đến thiết bị điện tử xanh và hệ thống lưu trữ năng lượng.

“Đây là một ví dụ điển hình cho nghiên cứu liên ngành, kết hợp giữa khoa học vật liệu, sinh học và công nghệ nano”, Giáo sư Rahman chia sẻ. “Chúng tôi tin rằng những tấm cellulose vi khuẩn bền, đa năng và dễ phân hủy này sẽ sớm được ứng dụng rộng rãi, góp phần thay thế nhựa trong nhiều ngành công nghiệp và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường”.

Nếu được triển khai ở quy mô công nghiệp, loại “siêu vật liệu sinh học” này có thể là lời chào tạm biệt với nhựa, một bước tiến quan trọng hướng đến nền kinh tế tuần hoàn và phát triển bền vững.