Vật liệu mới có thể thay thế nhựa

Maksud Rahman, trợ lý giáo sư ngành kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ tại Đại học Houston, phát triển phương pháp sáng tạo để biến đổi cellulose vi khuẩn, một vật liệu phân hủy sinh học, thành hợp chất đa năng có thể thay thế nhựa. Vật liệu này có tiềm năng sử dụng rộng rãi, có thể dùng để tạo ra sản phẩm hàng ngày như chai nước dùng một lần, bao bì thân thiện với môi trường, thậm chí gạc băng bó vết thương. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications đầu tháng 7.

Mối lo ngại ngày càng tăng về tác động có hại của vật liệu không phân hủy từ dầu mỏ đến môi trường làm tăng nhu cầu đối với những lựa chọn thay thế bền vững. Cellulose vi khuẩn là loại polymer tự nhiên phong phú và phân hủy sinh học trong môi trường. Theo nhóm nghiên cứu, những tấm cellulose vi khuẩn bền chắc, đa chức năng và thân thiện với môi trường sẽ trở nên phổ biến, thay thế nhựa trong nhiều ngành công nghiệp, giúp giảm thiểu tác động tới môi trường.

Để tăng cường độ bền của cellulose và tăng thêm chức năng, nhóm nghiên cứu đưa các tấm nano boron nitride vào dung dịch nuôi dưỡng vi khuẩn và tạo ra tấm nano lai cellulose vi khuẩn - boron nitride với những đặc tính cơ học như độ bền kéo lên đến 553 MPa và xử lý nhiệt tốt hơn (tốc độ phân tán nhiệt nhanh gấp 3 lần so với mẫu vật).

Theo Rahman, phương pháp chế tạo sinh học một bước này cho ra đời tấm cellulose vi khuẩn, mở đường cho nhiều ứng dụng trong vật liệu cấu trúc, quản lý nhiệt, đóng gói, dệt may, điện tử xanh và lưu trữ năng lượng. Thực chất, các nhà nghiên cứu hướng dẫn vi khuẩn hoạt động có mục đích. Thay vì di chuyển ngẫu nhiên, họ định hướng chuyển động của chúng để chúng sản xuất cellulose một cách có tổ chức. Hành vi có kiểm soát này cho phép họ đạt được cả sắp xếp cấu trúc và tính đa chức năng trong vật liệu cùng lúc.

Rahman cũng giới thiệu một thiết bị nuôi cấy quay thiết kế riêng, nơi vi khuẩn sản xuất cellulose được nuôi cấy trong lồng ấp hình trụ thấm oxy, quay liên tục quanh trục trung tâm để tạo ra dòng chất lỏng có hướng, dẫn vi khuẩn di chuyển theo hướng nhất quán. Nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục hoàn thiện tấm cellulose vi khuẩn trước khi tiến đến sản xuất thương mại.