Phát triển bê tông bền hơn, lấy cảm hứng từ vỏ hàu

Một trong những đặc điểm nổi bật của hàu là lớp xà cừ (nacre) lót bên trong vỏ. Vật liệu này gồm các phiến siêu nhỏ hình lục giác cấu tạo từ aragonite - khoáng chất tự nhiên của canxi cacbonat, được liên kết với nhau bằng một lớp polymer sinh học mềm, đóng vai trò như chất keo hữu cơ.

Aragonite mang lại độ cứng, trong khi polymer sinh học tạo độ linh hoạt. Sự kết hợp này giúp xà cừ vừa dẻo vừa có khả năng chống nứt vỡ vượt trội.

Nhận thấy cấu trúc này đã được hoàn thiện qua hàng trăm triệu năm tiến hóa, các nhà nghiên cứu thuộc Khoa Kỹ thuật Dân dụng và Môi trường, Đại học Princeton (Mỹ) đặt câu hỏi liệu nguyên lý đó có thể áp dụng để cải thiện vật liệu xây dựng của con người hay không. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí khoa học Advanced Functional Materials.

Theo nhóm nghiên cứu, yếu tố then chốt tạo nên đặc tính cơ học ấn tượng của xà cừ nằm ở sự phối hợp giữa thành phần cứng và mềm. Nếu bê tông có thể được thiết kế để ngăn chặn vết nứt lan ra, vật liệu này sẽ trở nên bền chắc và an toàn hơn.

Để kiểm chứng giả thuyết, nhóm đã chế tạo ba loại dầm vật liệu nhiều lớp, xen kẽ giữa các lớp hồ xi măng và một lớp polymer mỏng. Mẫu thứ nhất chỉ đơn giản là các lớp xếp chồng lên nhau. Mẫu thứ hai có các rãnh hình lục giác trên lớp xi măng. Mẫu thứ ba cắt hoàn toàn lớp xi măng thành các phiến lục giác tương tự cấu trúc của xà cừ. Ba mẫu này được so sánh với một dầm xi măng đúc truyền thống không có lớp polymer và không có cấu trúc đặc biệt.

Kết quả cho thấy loại dầm truyền thống giòn và gần như không có độ dẻo. Trong khi đó, cả ba mẫu mới đều cải thiện đáng kể độ dẻo và độ bền. Đáng chú ý, mẫu có cấu trúc phiến lục giác giống xà cừ đạt hiệu quả cao nhất, với độ bền tăng gấp 17 lần và độ dẻo tăng gấp 19 lần so với xi măng thông thường.

Bê tông bền hơn không chỉ mang ý nghĩa về mặt kỹ thuật mà còn có lợi cho môi trường. Sản xuất xi măng hiện chiếm khoảng 8% lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu. Nếu công trình có tuổi thọ dài hơn và ít phải sửa chữa, nhu cầu sản xuất mới sẽ giảm, góp phần cắt giảm phát thải.

Dù kết quả bước đầu đầy triển vọng nhưng công nghệ bê tông nhiều lớp lấy cảm hứng từ xà cừ vẫn cần được hoàn thiện thêm trước khi có thể ứng dụng rộng rãi trong thực tế xây dựng.