Bộ phận mạnh nhất của thực vật không phải là rễ hay rễ, mà là bức tường của các tế bào cực nhỏ.
Một tế bào gỗ được tạo thành từ các sợi xenlulo – một loại polyme tự nhiên dẻo dai, là thành phần cấu tạo nên tất cả các loài thực vật. Bên trong mỗi sợi là các tinh thể nano xenlulo được tăng cường (gia cố tinh thể nano xenlulo, hay còn gọi là CNC); Chúng là các chuỗi polyme hữu cơ được sắp xếp trong các dạng tinh thể hoàn hảo.
Ở cấp độ nano, CNC cứng hơn áo giáp Kevlar và có tiềm năng sản xuất nhựa tự nhiên đàn hồi hơn, thân thiện với môi trường.
Một lớp tinh thể nano xenluloza trong đĩa petri.
Để đạt được mục tiêu đó, một nhóm các nhà nghiên cứu tại MIT đã tạo ra một chất tổng hợp làm từ các tinh thể xenlulo kết hợp với một chút polyme nhân tạo. Số lượng tinh thể hữu cơ chiếm 60-90% thành phần của vật liệu; Các nhà khoa học cũng lập kỷ lục khi tạo ra vật chất chứa nhiều CNC nhất từ trước đến nay.
Vật liệu mới cứng hơn một số dạng rắn của xương, và cũng cứng hơn các hợp kim nhôm vẫn được sử dụng trong chế tạo. Cấu trúc vi mô của vật liệu mới có thể so sánh với chất liệu xà cừ trắng bóng thường thấy trong vỏ của các loài nhuyễn thể.
Vỏ xà cừ trắng bóng.
Công thức hợp chất CNC mới cho phép các nhà khoa học vừa in 3D vật chất vừa tạo khuôn theo cách thông thường. A. John Hart, giáo sư làm việc trong dự án mới cho biết: “Bằng cách tạo ra một hợp chất có chứa một lượng lớn CNC, chúng tôi có thể đưa các đặc tính chưa từng có vào vật liệu gốc polyme.
“Nếu chúng ta có thể thay thế nhựa làm từ dầu mỏ bằng xenlulo tự nhiên, điều này có thể cải thiện [thể trạng] hành tinh”.
Mỗi năm, các dây chuyền sản xuất công nghiệp tổng hợp hơn 10 tấn cellulose từ vỏ, gỗ và lá của các loại thực vật. Hầu hết chúng được sử dụng trong sản xuất giấy hoặc dệt may, một phần nhỏ được sử dụng trong chế biến thực phẩm hoặc mỹ phẩm.
Gỗ lignin chứa các tinh thể nano xenlulo.
Trong những năm gần đây, khoa học bắt đầu chú ý đến cấu trúc tinh thể nano của cellulose, có thể dễ dàng chiết xuất bằng phương pháp thủy phân bằng axit. Tuy nhiên, nỗ lực bổ sung CNC vào vật liệu vẫn gặp nhiều trở ngại, do tinh thể này có xu hướng vón cục, không bám chắc vào các phân tử polyme.
Giáo sư Hart và các đồng nghiệp vẫn đang loay hoay tìm cách tạo ra một loại vật liệu composite chứa hàm lượng CNC cao, có thể dễ dàng đúc thành các hình dạng có lợi. Họ dự định trộn CNC và polymer thành một loại gel dẻo có thể được sử dụng trong máy in 3D hoặc đổ vào khuôn. Sử dụng công nghệ siêu âm để loại bỏ vón cục, nhóm nghiên cứu có thể giúp kết dính các chất kết dính với nhau hiệu quả hơn.
Nhà nghiên cứu Abhinav Rao cho biết: “Về cơ bản chúng tôi đã phân hủy gỗ và sau đó lắp ráp lại. “Chúng tôi đã lấy phần tốt nhất của gỗ, tức là các tinh thể nano xenlulo, và tái tạo chúng thành một vật liệu composite mới.”
Khám phá cấu trúc của hợp chất dưới kính hiển vi, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng các hạt cellulose đã được sắp xếp thành một cấu trúc tương tự như xà cừ được tìm thấy trong vỏ của nhiều loài nhuyễn thể. Đương nhiên, cấu trúc này sẽ có khả năng chống lại các vết nứt, làm cho vật liệu mới trở nên chắc chắn hơn.
Khối được in 3D từ vật liệu mới, có đặc tính rắn chắc tương tự như nhôm công nghiệp.
Khi đưa vào thử nghiệm, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng các hạt xenlulo giữ cho vật liệu không bị vỡ làm đôi mặc dù bị nứt. Điện trở làm cho vật liệu trở thành một hợp chất tiềm năng, mang lại độ cứng và dẻo dai của cả kim loại và nhựa.
Sắp tới, nhóm nghiên cứu tiếp tục tìm cách hạn chế sự hao hụt thể tích của vật liệu khi đông đặc. Ở quy mô lớn, việc giảm thể tích có thể làm mất ổn định cấu trúc của đối tượng.
Nhà nghiên cứu Rao cho biết: “Nếu chúng ta có thể ngăn vật liệu bị co lại, chúng ta có thể tiếp tục mở rộng quy mô dự án, với những vật thể có kích thước lên tới hàng mét”. “Nếu những quả mơ đủ lớn, chúng tôi thậm chí có thể thay thế một phần đáng kể nhựa bằng xenlulo tổng hợp.”
Theo MIT
Tổng hợp: Công Nghệ Chính Nhân
