Vật liệu bền nhất trên thế giới, được làm từ nguyên liệu thực vật

03:28' PM - Thứ năm, 13/09/2018

Từ lâu nay, tơ nhện vẫn được cho là vật liệu sinh học bền nhất trên thế giới. Vì vậy, tơ nhện đã trở thành nguồn cảm hứng cho nhiều thế hệ các nhà khoa học vật liệu tìm hiểu và mô phỏng những tính chất của nó. Nhưng những phát hiện mới đây đã hạ bệ vị trí của tơ nhện, cho thấy sợi xenluloza biến đổi, dẫn xuất từ thành tế bào cây, mới là vật liệu sinh học bền nhất. Vật liệu này bền hơn 20% và cứng gấp 8 lần so với tơ nhện. Nó có thể được sử dụng làm vật liệu sinh học composit loại nhẹ trong sản xuất xe ôtô, xe đạp hoặc dụng cụ y học.

Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Hoàng gia Thụy Điển đã lấy cảm hứng từ cây khi tìm kiếm những vật liệu nhẹ, bền và có thể tái sinh. Thành tế bào ở vỏ ngoài cây gỗ tạo ra độ bền và độ cứng, giúp cây đứng vững. Những thành tế bào này chứa sợi nano xenluloza, chúng được sắp xếp, kết hợp vào khung lignin và hemixenluloza. Sự sắp xếp này giúp chuyển độ bền và độ cứng đặc biệt của từng sợi nano thành những tính chất của gỗ. Tuy nhiên, gỗ không bền như bản thân các sợi nano do những khiếm khuyết xảy ra trong sự sắp xếp các sợi làm cho vật liệu yếu đi.

Nhóm nghiên cứu nói trên đã mô phỏng cấu trúc của vỏ cây bằng cách sử dụng sợi nano xenluloza sẵn có từ cây vân sam và cây thông, có đường kính 2-5 nm và dài đến 700 nm. áp dụng quy trình gọi là tập trung thủy động lực, họ dùng dòng nước mạnh ép các sợi nano thành sợi lớn hơn, có đường kính 6-8 mm và dài đến 1 m.

Nhờ kính hiển vi điện tử, các nhà khoa học đã xác nhận cấu trúc mà họ thu được không chỉ tương tự như sự sắp xếp độc đáo trong thành tế bào cây mà còn tốt hơn: các sợi nano sắp xếp gần như hoàn hảo thành những sợi rất chặt, không có khiếm khuyết.

Những thử nghiệm tiếp theo cho thấy vật liệu mới thu được có độ bền kéo 1,57 GPa, mạnh hơn nhà vô địch trước đó là sợi tơ nhện tự nhiên với độ bền kéo 0,6-1,3 Gpa. Những sợi xenluloza mạnh nhất cũng bền gấp 1,2 đến 1,5 lần sợi nano cacbon kéo ướt và sợi graphen, đây là những loại sợi phi sinh học được ca ngợi vì độ bền cao của chúng. Độ cứng kéo căng của sợi xenluloza thu được theo phương pháp mới là 86 kPa, cao gấp 8 lần tơ nhện, nhờ vậy những sợi xenluloza này có thể được sử dụng để làm khớp nhân tạo hoặc chỉ phẫu thuật - những vật liệu đòi hỏi phải có khả năng co giãn nhưng bền.

Các nhà nghiên cứu Thụy Điển cho biết, việc xử lý các sợi nano theo cách trên đã tạo ra vật liệu bền hơn tất cả những gì mà thiên nhiên tạo ra. Cho đến nay, các nhà khoa học nghiên cứu vật liệu làm từ tơ nhện vẫn chưa làm ra được vật liệu bền hơn những gì mà con nhện tạo ra.

Trong tương lai, những vật liệu tương tự có thể được sử dụng cho những chi tiết chịu tải trong xe ôtô và xe đạp. Hiện nay, phần lớn vật liệu sử dụng cho những ứng dụng như vậy đều xuất phát từ những nguồn tài nguyên hoặc những quy trình sản xuất không bền vững, tạo ra nhiều phát thải CO2. Vật liệu mới cũng có thể được sử dụng cho các ứng dụng kỹ thuật mô, chúng đủ bền để sử dụng cho các bộ phận cơ thể như chân, tay.

Theo nhận xét của một nhà khoa học tại Đại học Stanford (Mỹ), kết quả nghiên cứu mới nói trên rất đáng chú ý, độ bền kéo đạt được là rất đặc biệt đối với các vật liệu tổng hợp sinh học. Phương pháp của các nhà khoa học Thụy Điển cũng rất đơn giản, dễ thực hiện. Công trình nghiên cứu đó cho thấy tiềm năng lớn trong việc kiểm soát các cấu trúc để đạt được những tính chất cơ học khác thường.

Nhưng một trong những nhược điểm của vật liệu gỗ là chúng rất nhạy cảm với độ ẩm, vì vậy khả năng ứng dụng thực tế bị hạn chế. Thách thức lớn đối với những người làm việc với những vật liệu như vậy là phải xác định vật liệu sinh học thích hợp để phối trộn với nanoxenluloza, làm tăng khả năng ứng dụng của vật liệu.

LH

Theo ChemistryWorld, 6/2018

Sponsor links (Provided by VIEPortal.net - The web cloud services for enterprises)
Thiết kế web, Thiết kế website, Thiết kế website công ty, Dịch vụ thiết kế website, Dịch vụ thiết kế web tối ưu, Giải pháp portal cổng thông tin, Xây dựng website doanh nghiệp, Dịch vụ web bán hàng trực tuyến, Giải pháp thương mại điện tử, Phần mềm dịch vụ web, Phần mềm quản trị tác nghiệp nội bộ công ty,