Trong bối cảnh các công trình hạ tầng ngày càng phải đối mặt với những thách thức lớn từ biến đổi khí hậu, thiên tai và nhu cầu sử dụng lâu dài, việc tìm kiếm các loại vật liệu xây dựng thông minh, bền vững đang trở thành mục tiêu quan trọng của ngành xây dựng hiện đại. Một trong những đột phá gần đây nhất đến từ phòng thí nghiệm của Đại học Nebraska-Lincoln (Hoa Kỳ), nơi các nhà khoa học đã phát triển một hệ thống địa y nhân tạo cho phép bê tông tự chữa lành vết nứt mà không cần bất kỳ sự can thiệp nào từ bên ngoài.

Lấy cảm hứng từ hệ sinh thái địa y trong tự nhiên – một cộng sinh phức tạp giữa nấm và vi khuẩn lam – nghiên cứu này không chỉ đánh dấu bước tiến mới trong công nghệ vật liệu xây dựng, mà còn mở ra tương lai cho các công trình bền vững, thông minh và thân thiện với môi trường.

Hình ảnh minh họa.

Bê tông: Vật liệu mạnh mẽ nhưng không hoàn hảo

Bê tông là vật liệu xây dựng phổ biến nhất trên thế giới, được ứng dụng rộng rãi từ cầu đường, nhà ở, đến các công trình hạ tầng quy mô lớn. Ưu điểm vượt trội của bê tông nằm ở khả năng chịu lực tốt, độ bền cao và dễ thi công. Tuy nhiên, điểm yếu chí tử của vật liệu này chính là khả năng nứt gãy – một hiện tượng có thể diễn ra âm thầm trong quá trình sử dụng.

Các vết nứt có thể hình thành do nhiều nguyên nhân: co ngót khô, biến đổi nhiệt độ (đóng băng – tan băng), tải trọng lớn, hoặc tác động của môi trường bên ngoài. Dù nhỏ đến mức không thể nhìn thấy bằng mắt thường, các vết nứt này lại có khả năng thấm nước, dẫn đến ăn mòn cốt thép bên trong và làm giảm đáng kể tuổi thọ cũng như tính an toàn của công trình.

Quá trình phát hiện và sửa chữa các vết nứt trong bê tông không hề đơn giản, thường đòi hỏi chi phí cao và can thiệp thủ công khó khăn – đặc biệt trong các công trình lớn hoặc ở vị trí khó tiếp cận. Điều này đặt ra nhu cầu cấp thiết về một giải pháp tự chữa lành, có thể giúp bê tông “tự phục hồi” giống như cách cơ thể con người tự lành vết thương.

30 năm nghiên cứu và rào cản về dưỡng chất bên ngoài

Trong ba thập kỷ qua, các nhà khoa học đã thử nghiệm nhiều phương pháp để phát triển bê tông sinh học tự chữa lành, phần lớn trong số đó dựa vào vi sinh vật, đặc biệt là vi khuẩn tạo khoáng như Bacillus. Các vi khuẩn này được trộn sẵn vào bê tông và sẽ hoạt động khi tiếp xúc với nước, tạo ra khoáng chất như canxi cacbonat để lấp đầy các vết nứt.

Tuy nhiên, vấn đề cốt lõi của hầu hết các công nghệ này là vi khuẩn cần nguồn dưỡng chất từ bên ngoài (thường là canxi lactat) để kích hoạt hoạt động chữa lành. Việc cung cấp dưỡng chất một cách liên tục và đồng đều trong môi trường bê tông khô cứng là một thách thức lớn, gây khó khăn trong ứng dụng thực tế và khiến hiệu quả tự chữa lành bị hạn chế.

Địa y nhân tạo: Cảm hứng từ thiên nhiên cho giải pháp tự chủ

Để vượt qua rào cản trên, tiến sĩ Congrui Grace Jin và cộng sự tại Đại học Nebraska-Lincoln đã tìm đến thiên nhiên – cụ thể là địa y, một dạng sống cộng sinh giữa nấm sợi và vi khuẩn lam (hoặc tảo). Địa y là sinh vật đặc biệt có thể sống sót trong những điều kiện khắc nghiệt nhất trên Trái Đất, như trên bề mặt đá, vùng cực hay thậm chí trong môi trường vũ trụ.

Lý do địa y có thể tồn tại mạnh mẽ như vậy là nhờ mối quan hệ cộng sinh giữa các thành phần trong nó: vi khuẩn lam quang hợp, tạo ra năng lượng và dinh dưỡng từ ánh sáng mặt trời, không khí và nước, còn nấm thì sử dụng dinh dưỡng đó để sinh trưởng và tiết ra khoáng chất bảo vệ.

Lấy cảm hứng từ cơ chế sinh học này, tiến sĩ Jin đã phát triển một hệ thống vi sinh vật nhân tạo mô phỏng địa y tự nhiên, kết hợp giữa vi khuẩn lam và nấm sợi. Hệ thống này có thể được tích hợp trực tiếp vào cấu trúc bê tông trong quá trình thi công.

Cơ chế hoạt động của địa y nhân tạo trong bê tông

Hệ thống địa y nhân tạo hoạt động theo nguyên lý đơn giản nhưng hiệu quả:

Vi khuẩn lam (cyanobacteria) thực hiện quang hợp khi tiếp xúc với ánh sáng và nước, tạo ra năng lượng và dưỡng chất.

Nấm sợi (filamentous fungi) sử dụng nguồn dinh dưỡng đó để tạo khoáng chất, chủ yếu là canxi cacbonat (CaCO₃).

Canxi cacbonat lấp đầy các vết nứt hình thành trong bê tông, bịt kín đường thấm nước và ngăn chặn ăn mòn.

Điểm mạnh vượt trội của hệ thống này là tính tự chủ hoàn toàn, không cần bổ sung dưỡng chất từ bên ngoài, không cần can thiệp từ con người. Các vi sinh vật có thể sống bền vững trong môi trường khắc nghiệt của bê tông – có độ kiềm cao, khô và thiếu oxy – chỉ nhờ ánh sáng và độ ẩm tự nhiên.

Kết quả thí nghiệm khả quan và tính ứng dụng cao

Qua các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, địa y nhân tạo đã chứng minh:

Khả năng sinh trưởng trong môi trường bê tông với độ kiềm cao.

Khả năng phát hiện và phản ứng với các vết nứt thông qua tăng trưởng và tạo khoáng tại đúng vị trí nứt gãy.

Hiệu quả trong việc bịt kín vết nứt mà không làm thay đổi đáng kể đặc tính cơ học của vật liệu.

Đây là bước tiến lớn so với các công nghệ trước đó vốn gặp nhiều khó khăn trong việc duy trì sự sống của vi sinh vật và phân phối dưỡng chất.

Từ bê tông tự chữa lành đến vật liệu xây dựng của tương lai

Việc ứng dụng địa y nhân tạo không chỉ có ý nghĩa về mặt kỹ thuật mà còn mang lại những lợi ích lớn về mặt kinh tế và môi trường:

- Giảm đáng kể chi phí bảo trì và sửa chữa cho các công trình lớn.

- Tăng tuổi thọ vật liệu, hạn chế rác thải xây dựng.

- Đảm bảo an toàn công trình, đặc biệt trong các khu vực dân cư hoặc công trình công cộng.

- Ứng dụng trong không gian vũ trụ, nơi việc sửa chữa thủ công là gần như bất khả thi.

Tiến sĩ Jin cho biết bà đang mở rộng nghiên cứu để kiểm tra hiệu quả của hệ thống trong các điều kiện thực tế ngoài phòng thí nghiệm, cũng như tính ổn định lâu dài theo thời gian – yếu tố quan trọng trong ứng dụng công trình.

Kết hợp với nghiên cứu xã hội để hướng tới ứng dụng đại trà

Bên cạnh thành công về mặt kỹ thuật, tiến sĩ Jin còn đặc biệt quan tâm đến các vấn đề đạo đức, xã hội và pháp lý trong việc sử dụng sinh vật sống trong vật liệu xây dựng. Bà đang hợp tác với các nhà xã hội học từ Đại học Texas A&M để khảo sát nhận thức cộng đồng, từ đó điều chỉnh công nghệ sao cho phù hợp với các quy chuẩn và tâm lý xã hội.

Một trong những câu hỏi lớn được đặt ra là: Liệu người tiêu dùng có sẵn sàng chấp nhận vật liệu xây dựng “có sự sống”? Đây không chỉ là vấn đề công nghệ, mà còn là câu chuyện về sự giao thoa giữa khoa học, xã hội và đạo đức trong thời đại mới.

Tương lai xây dựng sinh học: Từ cảm hứng thiên nhiên đến đô thị thông minh

Hệ thống địa y nhân tạo là một ví dụ điển hình cho xu hướng sinh học hóa vật liệu xây dựng – nơi các công trình không còn là những khối vật chất vô tri, mà trở thành thực thể sống có khả năng thích nghi, phục hồi và tương tác với môi trường.

Từ cảm hứng địa y, chúng ta có thể hình dung tương lai nơi:

- Nhà cửa có thể tự vá vết nứt sau động đất.

- Cầu đường tự phục hồi sau thời gian dài sử dụng.

- Công trình vũ trụ sử dụng vật liệu sống để thích nghi với môi trường khắc nghiệt ngoài Trái Đất.

Với khả năng tái tạo vết nứt một cách tự nhiên, không cần can thiệp từ bên ngoài, địa y nhân tạo đã mở ra một kỷ nguyên mới cho vật liệu xây dựng thông minh và bền vững. Đây không chỉ là thành tựu kỹ thuật mà còn là biểu tượng của cách con người học hỏi từ thiên nhiên để giải quyết các vấn đề hiện đại.

Sự kết hợp giữa vi sinh vật học, kỹ thuật vật liệu và cảm hứng sinh học đã mang đến một giải pháp đầy hứa hẹn, góp phần giảm thiểu chi phí, bảo vệ môi trường và nâng cao độ bền của các công trình trong tương lai.

Nguồn: Tổng hợp