Ảnh minh họa
Các nhà khoa học đã phát triển một loại vật liệu băng gia cường có tên BioPykrete, với độ bền nén cao gấp khoảng 10 lần băng nguyên chất và khả năng hấp thụ năng lượng trước khi vỡ lớn hơn khoảng 70 lần. Vật liệu này được kỳ vọng mở ra hướng nghiên cứu mới về vật liệu xây dựng tại những khu vực có khí hậu cực lạnh, dù vẫn cần thêm thử nghiệm để đánh giá khả năng ứng dụng thực tế.
Nghiên cứu do Giáo sư Ido Braslavsky thuộc Khoa Nông nghiệp, Thực phẩm và Môi trường Robert H. Smith của Đại học Hebrew Jerusalem dẫn đầu, đã được công bố trên tạp chí Colloids and Surfaces B: Biointerfaces.
Theo các nhà nghiên cứu, BioPykrete không chỉ cải thiện độ bền của băng mà còn thay đổi cách vật liệu này bị phá vỡ. Thay vì nứt vỡ đột ngột như băng thông thường, vật liệu gia cường có thể biến dạng và nứt dần, qua đó hấp thụ nhiều năng lượng hơn trước khi mất khả năng chịu lực.
BioPykrete được phát triển dựa trên sự kết hợp giữa băng, tinh thể nano cellulose và một loại protein được thiết kế đặc biệt. Cellulose là thành phần cấu trúc chủ yếu của thành tế bào thực vật, còn tinh thể nano cellulose là những hạt có kích thước rất nhỏ, sở hữu độ cứng cao.
Khi nước đóng băng, các tinh thể nano cellulose hình thành một mạng lưới ba chiều bao quanh những vùng băng nhỏ, góp phần gia cường cấu trúc vật liệu. Tuy nhiên, để mạng lưới này liên kết hiệu quả hơn với băng, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một loại protein có các vùng chức năng riêng biệt, cho phép liên kết với cả băng và cellulose.
Protein đóng vai trò như cầu nối ở cấp độ phân tử, giúp neo giữ mạng lưới cellulose trong cấu trúc băng. Theo kết quả nghiên cứu, việc bổ sung protein được thiết kế đã giúp tăng gấp đôi độ bền và khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu so với hỗn hợp chỉ chứa cellulose mà không có protein này.
Giáo sư Braslavsky cho biết mục tiêu của nhóm không chỉ là trộn thêm sợi gia cường vào băng, mà còn kiểm soát cách các thành phần liên kết với nhau ở cấp độ phân tử. Cách tiếp cận này giúp thay đổi cả đặc tính cơ học lẫn cơ chế phá vỡ của vật liệu.
Ở băng thông thường, những vết nứt nhỏ có thể lan nhanh qua cấu trúc tinh thể, khiến vật liệu mất khả năng chịu lực trong thời gian ngắn. Đây là một trong những hạn chế lớn khi xem xét khả năng sử dụng băng làm vật liệu kết cấu.
Với BioPykrete, mạng lưới cellulose tạo ra các chướng ngại vật làm gián đoạn hoặc chuyển hướng đường lan truyền của vết nứt. Trong khi đó, các liên kết protein giúp mạng lưới gia cường khó bị biến dạng hoặc rách hơn. Sự kết hợp này làm tăng lượng năng lượng cần thiết để vết nứt tiếp tục phát triển.
Nhờ đó, vật liệu có thể hấp thụ năng lượng lớn hơn trước khi bị phá hủy. Khả năng biến dạng và nứt dần cũng có ý nghĩa đối với việc nghiên cứu những vật liệu có thể chịu tải mà không bị phá vỡ đột ngột.
Một trong những hướng ứng dụng được nhóm nghiên cứu đề cập là xây dựng các công trình tại Bắc Cực và Nam Cực. Ở những khu vực này, việc vận chuyển bê tông, thép và các vật liệu xây dựng thông thường có thể gặp nhiều khó khăn, kéo theo chi phí hậu cần lớn.
Do thành phần chủ yếu là băng và cellulose có nguồn gốc thực vật, BioPykrete có thể trở thành đối tượng nghiên cứu cho những giải pháp xây dựng sử dụng vật liệu tại chỗ, qua đó giảm nhu cầu vận chuyển vật liệu từ những khu vực khác. Nếu được chứng minh có hiệu quả trong điều kiện thực tế, loại vật liệu này cũng có tiềm năng giảm tác động môi trường trong một số ứng dụng nhất định.