Những viên gạch sống! Các nhà khoa học đã tạo ra bê tông sống.

Quỳnh Anh (Theo The New York Times)

Wil Srubar, trái, một kỹ sư kết cấu tại Đại học Colorado, Boulder, và nghiên cứu sinh tiến sĩ ngành khoa học và kỹ thuật vật liệu, Sarah Williams, đang cầm những viên gạch được tạo từ vi khuẩn lam và các vật liệu khác.

Có rất nhiều “vật liệu Frankenstein“- và chung quy lại được tạo ra bởi – các vi khuẩn quang hợp. Và nó có thể sinh sản.

Trong nhiều thế kỷ, các nhà xây dựng đã chế tạo bê tông theo cùng một cách: bằng cách trộn các vật liệu cứng như cát với các chất kết dính khác nhau, và hy vọng nó sẽ cố định và cứng cáp trong một thời gian dài.

Tuy nhiên giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu liên ngành tại Đại học Colorado, Boulder, đã tạo ra một loại bê tông khá khác biệt – một loại có sự sống và thậm chí có thể sinh sản.

Khoáng chất trong vật liệu mới được lắng đọng không phải bởi hóa học mà bởi vi khuẩn lam, một loại vi khuẩn phổ biến tiếp thu năng lượng thông qua quá trình quang hợp. Quá trình quang hợp hấp thụ carbon dioxide, trái ngược hoàn toàn với việc sản xuất bê tông thông thường, tạo ra một lượng lớn khí nhà kính.

Vi khuẩn quang hợp cũng làm cho bê tông có một đặc điểm khác thường: có màu xanh lục. “Nó thực sự trông giống như một vật liệu Frankenstein”, Wil Srubar, một kỹ sư kết cấu và là người đứng đầu dự án nghiên cứu,nói. (Màu xanh nhạt dần khi vật liệu dần khô).

Các nhà nghiên cứu khác đã thực hiện việc kết hợp biện pháp sinh học vào bê tông, đặc biệt là loại bê tông có thể chữa lành vết nứt của chính nó.

Một lợi thế lớn của loại vật liệu mới, những người sáng tạo ra nó cho biết, thay vì thêm vi khuẩn vào những loại bê tông thông thường – một vật chất rất cứng nhắc, khắc nghiệt – quy trình của họ được định hướng xung quanh vi khuẩn: tận dụng chúng để xây dựng những khối bê tông và duy trì sự tồn tại của chúng sau này để chúng có thể sinh sôi nhiều hơn nữa.

Loại bê tông mới, được mô tả trên tạp chí Matter vào hôm thứ tư, “Đại diện cho một lớp vật liệu xây dựng mới, có hàm lượng carbon thấp”, ông Andrea Hamilton, một chuyên gia về bê tông tại Đại học Strathclyde, Scotland, nói.

Để xây dựng bê tông sống, trước tiên các nhà nghiên cứu đã thử đưa vi khuẩn lam vào hỗn hợp nước ấm, cát và chất dinh dưỡng. Các vi khuẩn lập tức hấp thụ ánh sáng và bắt đầu sản xuất canxi cacbonat, rồi dần dần kết dính các hạt cát lại với nhau. Nhưng quá trình này diễn ra chậm – và DARPA, Cơ quan Chỉ đạo các Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Bộ Quốc phòng Mỹ  và là nhà tài trợ dự án, mong muốn việc sản sinh được diễn ra với tốc độ rất nhanh. Và sự cần thiết, niềm hứng khởi đã sản sinh ra phát minh.

 

Một vật làm từ vật liệu sống trong phòng thí nghiệm của Tiến sĩ Srubar.

Tiến sĩ Srubar trước đây đã làm việc với Gelatin, một nguyên liệu thực phẩm, cho biết khi hòa tan nguyên liệu này trong nước và làm mát, sẽ hình thành các liên kết đặc biệt giữa các phân tử của nó. Điều quan trọng, loại nguyên liệu này có thể được sử dụng ở nhiệt độ vừa phải, nhẹ nhàng với vi khuẩn. Ông đề nghị thêm Gelatin vào để củng cố ma trận đang được xây dựng bởi vi khuẩn lam và nhóm nghiên cứu đã bị thu hút bởi ý tưởng đó.

Các nhà nghiên cứu đã mua Gelatin nhãn hiệu Knox tại một siêu thị địa phương và hòa tan nó trong dung dịch với vi khuẩn. Khi họ đổ hỗn hợp vào khuôn và làm lạnh nó trong tủ lạnh, Gelatin đã hình thành nên các liên kết – “giống như khi bạn tạo ra thạch rau câu”, tiến sĩ Srubar nói. Gelatin đã cung cấp nhiều kết nối hơn và khi kết hợp với vi khuẩn nó sẽ giúp bê tông sống phát triển mạnh hơn và nhanh hơn.

Sau khoảng một ngày, hỗn hợp đã tạo thành các khối bê tông theo hình dạng của bất kỳ khuôn mẫu nào mà nhóm đã sử dụng để đúc, bao gồm các hình khối hai inch, khối kích thước của một hộp giày và các mảnh kèo với thanh chống và cắt. Các hình khối hai inch riêng lẻ đủ mạnh để một người có thể đứng trên đó, mặc dù vật liệu này yếu so với hầu hết các bê tông thông thường. Các khối có kích thước bằng một hộp giày cho thấy tiềm năng thực sự để phục vụ cho việc xây dựng.

“Lần đầu tiên chúng tôi tạo ra một kết cấu lớn bằng cách sử dụng hệ thống này, chúng tôi không biết liệu nó có hoạt động hay không, chúng tôi đã thử phát triển từ thứ nhỏ bé này thành những viên gạch lớn như thế này”, ông David Heveran, một cựu nghiên cứu sinh của nhóm – hiện đang là kỹ sư tại Đại học bang Montana – và là tác giả chính của nghiên cứu. “Chúng tôi đã lấy nó ra khỏi khuôn và quan sát nó – đó là một màu xanh lá cây tuyệt đẹp, tươi sáng. Đó là lần đầu tiên chúng tôi tạo thành công những viên gạch có kích thước giống như chúng tôi hình dung, đó là điều thực sự thú vị.”

Khi nhóm mang các mẫu nhỏ đến một cuộc hội thảo đánh giá của các quan chức từ DARPA, họ đã rất ấn tượng, Tiến sĩ Srubar nói: “Mọi người đều muốn một cái trên bàn của họ”.

Được lưu trữ trong không khí tương đối khô ở nhiệt độ phòng, các vật liệu đạt đến độ cứng tối đa trong nhiều ngày và vi khuẩn bắt đầu chết dần. Nhưng ngay cả sau một vài tuần, các khối vẫn tiếp tục sống; khi một lần nữa tiếp xúc với nhiệt độ và độ ẩm cao, nhiều tế bào vi khuẩn sẽ hoạt động trở lại.

Nhóm có thể lấy một khối, cắt nó bằng cưa kim cương, đặt một nửa vào cốc thủy tinh ấm với nhiều nguyên liệu thô hơn, đổ vào khuôn để nó bắt đầu hình thành bê tông một lần nữa. Mỗi khối do đó có thể sinh ra thêm ba thế hệ mới, mang lại tám khối mới.

Bộ Quốc phòng quan tâm đến việc sử dụng khả năng sinh sản của những “L.B.M.s” – vật liệu xây dựng sống – để hỗ trợ việc xây dựng trong môi trường xa xôi và khắc khổ. “ Nếu phải làm việc ngoài sa mạc, bạn không muốn phải chuyên chở vật liệu quá nhiều”, tiến sĩ Srubar nói.

Các khối cũng có lợi thế là được làm từ nhiều loại nguyên liệu phổ biến. Hầu hết bê tông đòi hỏi nguyên liệu là  cát nguyên chất đến từ sông, hồ và đại dương, những nguyên liệu này vốn đang cạn kiệt trên toàn thế giới, phần lớn là do nhu cầu lớn về bê tông. Các vật liệu sống mới không yêu cầu quá cầu kỳ về nguyên liệu. Tiến sĩ Srubar cho biết, “Chúng tôi không sử dụng một số loại cát đặc biệt. Chúng tôi có thể sử dụng vật liệu phế thải như thủy tinh mài hoặc bê tông tái chế”.

Nhóm nghiên cứu đang làm việc để làm cho vật liệu trở lên hữu ích hơn bằng cách làm cho bê tông vững chắc hơn; tăng khả năng kháng vi khuẩn đối với sự mất nước; cấu hình lại các vật liệu để chúng có thể được đóng gói phẳng và dễ dàng lắp ráp, giống như các tấm vách thạch cao; và tìm ra một loại vi khuẩn lam khác, loại mà không cần phải bổ sung Gelanin.

Cuối cùng, Tiến sĩ Srubar cho biết, các công cụ của sinh học tổng hợp có thể dần dần mở rộng khả năng trong các lĩnh vực: ví dụ, vật liệu xây dựng có thể phát hiện và phản ứng với các hóa chất độc hại, hoặc phát sáng để lộ ra các thiếu hụt về cấu trúc. Bê tông sống có thể sử dụng được trong môi trường khắc nghiệt hơn cả những sa mạc khô cằn nhất: các hành tinh khác, như Sao Hỏa.

Tiến sĩ Srubar nói,”Không cách nào để chúng tôi mang vật liệu xây dựng lên vũ trụ nhưng chúng tôi sẽ mang các công cụ sinh học lên với chúng tôi”.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *