Những bản thiết kế từ thiên nhiên cho xi măng chống nứt gãy
Dựa vào cấu trúc nano từ gai của nhím biển, các nhà khoa học đã phát triển cấu trúc xi măng chống nứt gãy.
Hình ảnh gai nhím biển.
Các gai của nhím biển thường được làm từ canxit (khoáng vật cacbonat và là dạng bền nhất của canxi cacbonat), là một vật liệu rất giòn và dễ gãy. Tuy nhiên, đối với loài nhím biển, gai của chúng có độ bền cao hơn so với các nguyên liệu thô. Đây chính là cách tối ưu hóa vật liệu theo cấu trúc gạch của tự nhiên. Nhóm nghiên cứu Physical Chemistry, dẫn đầu bởi GS. Helmut Cölfen thuộc Đại học Konstanz, Đức đã tổng hợp thành công xi măng ở cấp độ nano theo nguyên tắc “gạch và vữa” này. Trong quá trình tổng hợp, các phân tử vĩ mô được xác định có chức năng của vữa, gắn các khối tinh thể với nhau theo quy mô nano, với các khối lắp ráp theo trật tự. Mục đích của quá trình này là làm cho xi măng bền hơn. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances ngày 1/12 vừa qua.
GS. Cölfen cho biết: Xi măng mới có khả năng chống nứt gãy nhiều hơn bất cứ vật liệu nào khác và mang lại cho chúng ta khả năng xây dựng hoàn toàn mới. Một trụ cột làm bằng loại xi măng này có thể được xây cao tới 8.000m, cao gấp 10 lần tòa nhà cao nhất thế giới hiện nay.
Nguyên tắc để sản xuất vật liệu này là: Các lớp cứng và mềm xen kẽ nhau. Đây chính xác là nguyên tắc giúp gai nhím biển trở nên bền vững. Khi có lực tác dụng lên canxit, khối tinh thể này không bị nứt. Các khối tinh thể trong một cấu trúc có trật tự được bao quanh bởi một vùng vô định hình mềm hơn. Trong trường hợp của nhím biển, vật liệu này là canxi cacbonat.
Bản thân xi măng có cấu trúc không theo trật tự, các thành phần đều kết kính với nhau. Điều này có nghĩa là: Để xi măng có thể gia tăng sự ổn định cần tổ chức lại cấu trúc của nó ở cấp độ nano. GS. Helmut Cölfen mô tả quá trình này là sự mã hóa chống nứt gãy ở mức độ nano.
Từ việc nghiên cứu gai nhím biển, nhóm nghiên cứu kết luận rằng: Có thể sản xuất ra vật liệu xây dựng tốt hơn so với canxit. Nếu thành công trong việc thiết kế cấu trúc vật liệu và tái sản xuất từ các bản thiết kế thiên nhiên, chúng ta có thể tạo ra nhiều vật liệu chống nứt gãy – các vật liệu hiệu năng cao lấy cảm hứng từ thiên nhiên.
