Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Những nhà khoa học tại Đại học Drexel đang tạo nên một bước tiến mới cho công nghệ gia cố bê tông thông qua việc tạo ra các sợi gia cố chứa vi khuẩn để sửa chữa các vết nứt. Thay vì chỉ đơn thuần sử dụng lông ngựa, nhóm nghiên cứu đã phát triển sợi polymer mang tên "BioFiber", chứa vi khuẩn và được bọc bởi một lớp vỏ bảo vệ. Mạng lưới BioFibers được nhúng trong bê tông có thể ngăn chặn các vết nứt phát triển và giúp cho bê tông tự phục hồi, cải thiện độ bền của nó. Kỹ thuật mới này được đăng tải trên tạp chí Construction and Building Materials.

Tiến sĩ Amir Farnam, phó giáo sư tại Đại học Kỹ thuật, cũng là người đứng đầu nhóm nghiên cứu, đã chia sẻ: “Đây là một bước tiến thú vị trong việc cải thiện vật liệu xây dựng bằng cách lấy cảm hứng từ thiên nhiên. Chúng ta thường xuyên thấy các cấu trúc bê tông cũ kỹ của chúng ta trở nên hư hỏng, dẫn đến giảm tuổi thọ và chi phí sửa chữa đắt đỏ. Tuy nhiên, liệu chúng có thể "tự lành" không? Trong cơ thể chúng ta, các sợi tự nhiên trong máu và chất lỏng có khả năng tự phục hồi. Các sợi sinh học này đã được sử dụng để tạo ra bê tông sống có khả năng tự phục hồi thông qua việc sử dụng vi khuẩn tạo đá.”

Nâng cao tuổi thọ cho bê tông không chỉ mang lại lợi ích cho ngành xây dựng mà còn trở thành ưu tiên hàng đầu của các quốc gia trên thế giới đang nỗ lực giảm khí thải nhà kính. Khi sản xuất bê tông, việc đốt hỗn hợp khoáng chất để tạo ra các thành phần như đá vôi, đất sét hay đá phiến, ở nhiệt độ trên 2.000 độ F (tương đương với khoảng 1400 độ C), chiếm 8% lượng khí nhà kính phát thải toàn cầu. Cấu trúc bê tông có thể xuống cấp trong vòng ít nhất 50 năm tùy thuộc vào môi trường sử dụng. Tuy nhiên, bê tông vẫn là vật liệu xây dựng được tiêu thụ nhiều nhất và có nhu cầu cao nhất trên thế giới, do đó, sản xuất bê tông có tuổi thọ cao hơn sẽ giảm thiểu tác động của nó đến hiện tượng nóng lên toàn cầu và giảm chi phí sửa chữa cơ sở hạ tầng lâu dài. Đó là lý do tại sao Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã tập trung vào việc cải thiện tính bền vững và độ bền của bê tông. Trong thập kỷ qua, Drexel đã tiên phong trong việc tìm cách cải thiện tính bền vững và độ bền của bê tông, và phòng thí nghiệm Farnam đã tham gia vào nỗ lực của Bộ Quốc phòng nhằm củng cố các cấu trúc lão hóa của bê tông.

Nghiên cứu về vật liệu tổng hợp xi măng tự phục hồi sinh học do Mohammad Houshmand, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Farnam, là tác giả chính của đề tài này. Theo ông Houshmand, khái niệm vật liệu tổng hợp xi măng tự phục hồi sinh học đã được nghiên cứu trong Phòng thí nghiệm Vật liệu Cơ sở hạ tầng Tiên tiến trong nhiều năm qua. Dự án BioFiber là một nỗ lực hợp tác đa ngành giữa các chuyên gia đến từ các lĩnh vực kỹ thuật dân dụng, sinh học, hóa học và khoa học vật liệu. Mục tiêu của đề tài này là tiên phong trong việc phát triển công nghệ BioFiber tự phục hồi đa chức năng, thiết lập các tiêu chuẩn mới tại sự giao thoa của các ngành học đa dạng này. Cách tiếp cận của nhóm nghiên cứu BioFiber được lấy cảm hứng từ khả năng tự phục hồi của mô da và vai trò của hệ thống mạch máu trong việc giúp các sinh vật tự chữa lành vết thương. Nhóm sử dụng một kỹ thuật sinh học đã được phát triển để cho phép tự sửa chữa cơ sở hạ tầng bê tông với sự trợ giúp của vi khuẩn khoáng hóa sinh học.

Phối hợp với các nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Caroline Schauer, Chủ tịch Kỹ thuật Margaret C. Burns, Tiến sĩ Christopher Sales, phó giáo sư và Ahmad Najafi, Tiến sĩ, trợ lý giáo sư, tất cả đều đến từ Trường Cao đẳng Kỹ thuật, một chủng vi khuẩn Lysinibacillus sphaericus làm chất chữa lành sinh học. Vi khuẩn này thường được tìm thấy trong đất, có khả năng thúc đẩy một quá trình sinh học gọi là kết tủa canxi cacbonat để tạo ra vật liệu giống như đá có thể ổn định và cứng lại thành một miếng vá các vết nứt lộ ra trên bê tông. Vi khuẩn Lysinibacillus sphaericus có thể tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt bên trong bê tông, nằm im cho đến khi được kích hoạt.

Theo Schauer, việc lựa chọn sự kết hợp phù hợp giữa vi khuẩn, hydrogel và lớp phủ polymer là trọng tâm của nghiên cứu này và chức năng của BioFiber. Lấy cảm hứng từ thiên nhiên là một chuyện, nhưng biến nó thành một ứng dụng bao gồm các thành phần sinh học có thể cùng tồn tại trong một cấu trúc chức năng là một công việc khá khó khăn. Để đạt được thành công, đòi hỏi một đội ngũ chuyên gia đa dạng.

Sử dụng khung "BioFiber" để gia cố các cấu trúc bê tông


Đội nghiên cứu đã sử dụng sợi polymer với khả năng ổn định làm lõi để lắp ráp BioFiber. Từ đó, tạo thành một lớp hydrogel chứa nội bào tử và phủ toàn bộ tổ hợp bằng một lớp vỏ polyme, giống như các mô da, để bảo vệ khỏi tổn thương. Toàn bộ tổ hợp này có độ dày hơn nửa milimet. Khi được đặt trong lưới xuyên suốt bê tông, BioFiber hoạt động như một chất hỗ trợ gia cố. Tuy nhiên, công dụng thực sự của BioFiber sẽ chỉ được thể hiện khi một vết nứt xuyên qua bê tông đủ lớn để xuyên qua lớp vỏ polymer của sợi. Khi nước thấm vào vết nứt, nó tiếp xúc với hydrogel và làm cho nó nở ra, đẩy nó ra khỏi vỏ và lên bề mặt vết nứt.
Cùng lúc đó, vi khuẩn được kích hoạt từ dạng nội bào tử của chúng, với sự có mặt của carbon và nguồn dinh dưỡng trong bê tông. Phản ứng với canxi trong bê tông, vi khuẩn tạo ra canxi cacbonat hoạt động như một vật liệu kết dính để lấp đầy vết nứt trên bề mặt. Thời gian để vết thương hồi phục cuối cùng phụ thuộc vào kích thước vết nứt và hoạt động của vi khuẩn, một cơ chế mà nhóm nghiên cứu đang tiếp tục nghiên cứu. Tuy nhiên, những dấu hiệu ban đầu cho thấy vi khuẩn có thể thực hiện công việc của mình chỉ trong một đến hai ngày.

BioFiber có thể sử dụng để tạo ra cơ sở hạ tầng bê tông "sống" và kéo dài tuổi thọ của nó mà không cần sự can thiệp từ bên ngoài. Farnam cho biết rằng việc kiểm tra động học của quá trình tự sửa chữa vẫn còn nhiều việc phải làm. Tuy nhiên, phát hiện của nhóm nghiên cứu cho thấy đây là một phương pháp khả thi để sửa chữa các vết nứt. Việc này sẽ giúp ngăn chặn nhu cầu sửa chữa hoặc thay thế tốn kém trong tương lai.

Nguồn bài viết: Tài liệu do Drexel University cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về phong cách và độ dài.
Tạp chí tham khảo:
Mohammad Houshmand Khaneghahi, Divya Kamireddi, Seyed Ali Rahmaninezhad, Amirreza Sadighi, Caroline L. Schauer, Christopher M. Sales, Ahmad R. Najafi, Aidan Cotton, Reva Street, Yaghoob (Amir) Farnam. Development of a nature-inspired polymeric fiber (BioFiber) for advanced delivery of self-healing agents into concrete. Construction and Building Materials, 2023; 408: 133765 DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.133765

Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/12/231208133132.htm