Biến cát rời thành vật liệu xây dựng nhờ vi khuẩn tạo khoáng

Công nghệ vật liệu xây dựng mới sử dụng vi khuẩn tạo khoáng để hình thành các tinh thể liên kết hạt cát rời, kết hợp với in 3D để chế tạo cấu kiện theo hình dạng thiết kế. Phương pháp này cho phép kiểm soát độ rỗng và sự liên kết giữa các lớp vật liệu, nhưng vẫn cần đánh giá thêm về đặc tính cơ học và xử lý các chất phát sinh sau chế tạo.

Từ những hạt cát rời, nhóm nghiên cứu tại ETH Zurich đã chế tạo thử nghiệm một tấm vách kiến trúc diện tích khoảng 1 m², gồm 16 bộ phận ghép lại với nhau. Cấu kiện có các đường uốn lượn và lỗ rỗng theo thiết kế, được tạo hình bằng công nghệ in 3D, sau đó xử lý trong dung dịch để thúc đẩy quá trình hình thành khoáng chất liên kết các hạt vật liệu.

Nghiên cứu do Karen Antorveza Paez, người vừa hoàn thành chương trình tiến sĩ tại khoa kiến trúc của ETH Zurich, cùng các cộng sự thực hiện. Điểm mới của hướng nghiên cứu không nằm ở việc phát hiện khả năng tạo khoáng của vi khuẩn, mà ở cách kiểm soát quá trình này để chế tạo trực tiếp các cấu kiện kiến trúc có hình dạng và cấu trúc xác định.

Trong phương pháp in 3D sinh học, nhóm nghiên cứu trộn cát và vi khuẩn sống vào hỗn hợp gel nền nước có chứa alginate và xanthan để tạo thành vật liệu in. Hỗn hợp được đùn thành từng lớp theo bản thiết kế. Sau khi in, cấu kiện vẫn mềm và dễ biến dạng nên cần được xử lý tiếp để hình thành mạng lưới khoáng chất, giúp các hạt cát liên kết với nhau.

Cấu kiện được ngâm trong dung dịch chứa urê và canxi clorua. Vi khuẩn Sporosarcina pasteurii tạo ra enzyme urease, xúc tác quá trình phân giải urê, giải phóng các ion cacbonat và tạo ra amoni như một sản phẩm phụ. Các ion cacbonat kết hợp với canxi trong dung dịch để hình thành canxi cacbonat (CaCO₃), khoáng chất phổ biến trong đá vôi.

Các tinh thể canxi cacbonat hình thành giữa những hạt cát, đan cài với nhau và tạo liên kết cơ học giữ các hạt thành một khối rắn. Quá trình tạo khoáng diễn ra ngay bên trong cấu kiện, tại những vị trí có vi khuẩn và điều kiện phản ứng phù hợp. Khi được bố trí hợp lý, các lỗ rỗng giúp dung dịch thâm nhập vào bên trong, còn khoáng chất hình thành tại vị trí tiếp giáp giữa các lớp in góp phần tăng liên kết giữa các lớp vật liệu.

Theo ETH Zurich, quá trình tạo khoáng kéo dài từ 2 - 5 ngày, tùy thuộc vào độ bền mong muốn của cấu kiện. Dung dịch được thay mới mỗi ngày nhằm bổ sung các chất cần thiết cho phản ứng. Sau khi hoàn tất, sản phẩm được để khô, quá trình tạo khoáng kết thúc và vi khuẩn không còn hoạt động.

Một ưu điểm đáng chú ý của phương pháp là cấu kiện có thể cứng lại ở nhiệt độ phòng mà không cần sử dụng nguồn nhiệt để nung trong giai đoạn tạo khoáng. Đặc điểm này gợi mở khả năng giảm nhu cầu năng lượng cho công đoạn làm cứng vật liệu so với những quy trình cần xử lý nhiệt. Tuy nhiên, chưa thể từ đó kết luận vật liệu có tổng mức tiêu thụ năng lượng hoặc phát thải thấp hơn các vật liệu truyền thống, bởi hiệu quả môi trường còn phụ thuộc vào nguyên liệu, hóa chất sử dụng và toàn bộ quy trình chế tạo.

Công nghệ dùng vi khuẩn tạo khoáng kết hợp in 3D giúp liên kết các hạt cát rời thành vật liệu xây dựng, mở ra hướng chế tạo cấu kiện kiến trúc mới. (Nguồn: ETH Zurich)

Bên cạnh phương pháp in đùn, nhóm nghiên cứu phát triển cách tạo vật liệu bằng cánh tay robot phun tuần tự vi khuẩn, các chất cần thiết cho quá trình tạo khoáng và cát lên bề mặt. Các lượt phun được lặp lại để vật liệu tích tụ dần thành từng lớp, không cần đưa cấu kiện vào bể ngâm như phương pháp thứ nhất. Cách tiếp cận này lấy cảm hứng từ đá stromatolite, loại đá trầm tích có cấu trúc phân lớp hình thành nhờ hoạt động của vi sinh vật và quá trình tích tụ khoáng chất trong tự nhiên.

Hai phương pháp có định hướng ứng dụng khác nhau. In đùn phù hợp hơn với việc tạo các cấu kiện kiến trúc theo hình dạng thiết kế, trong khi phun bằng robot hướng nhiều hơn tới chế tạo các bề mặt. Tại Triển lãm Kiến trúc quốc tế Venice năm 2025, quy trình phun robot đã được vận hành liên tục trong sáu tháng để trình diễn quá trình tạo vật liệu. Dù vậy, phương pháp phun vẫn cần được nghiên cứu thêm về đặc tính cơ học, đặc biệt là cách các hạt cát và chất liên kết khoáng phân bố bên trong cấu kiện.

Khả năng tạo hình linh hoạt không đồng nghĩa vật liệu đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật trong xây dựng. Khi in, những phần nhô ra quá xa có thể bị sụp do hỗn hợp chưa đủ cứng để tự giữ hình dạng. Thiết kế cấu kiện vì vậy phải tính đến khả năng tự đỡ của vật liệu trong quá trình chế tạo. Đồng thời, hệ thống lỗ rỗng cần được bố trí phù hợp để dung dịch thâm nhập sâu vào bên trong, giúp quá trình tạo khoáng diễn ra đồng đều hơn.

Giới hạn quan trọng khác là độ bền và khả năng chịu lực. Theo nhóm nghiên cứu, vật liệu hiện có đặc tính gần với vữa hơn là bê tông kết cấu. Việc xác định thành phần hạt, tỷ lệ phối trộn và điều kiện tạo khoáng để đạt được vật liệu ổn định, có độ bền lâu dài vẫn là bài toán cần tiếp tục giải quyết. Nhóm đang hướng tới các ứng dụng kiến trúc như tấm che nắng và vách ngăn, thay vì các cấu kiện chịu lực chính của công trình.

Tác động môi trường cũng là vấn đề cần được xem xét trong quá trình hoàn thiện công nghệ. Phản ứng phân giải urê tạo ra amoni, chất cần được kiểm soát và xử lý phù hợp để hạn chế nguy cơ gây hại môi trường. Do đó, việc đánh giá lợi ích môi trường của vật liệu không thể chỉ dựa vào khả năng tạo khoáng ở nhiệt độ phòng mà cần tính đến cả hóa chất đầu vào, sản phẩm phụ và quy trình xử lý sau chế tạo.

Nghiên cứu tại ETH Zurich cho thấy khả năng kết hợp tạo khoáng sinh học với công nghệ in 3D để chế tạo các cấu kiện kiến trúc từ cát. Tuy nhiên, để tiến tới ứng dụng thực tế, công nghệ vẫn cần hoàn thiện khả năng kiểm soát quá trình tạo khoáng, nâng cao độ ổn định và độ bền của vật liệu, đồng thời giải quyết vấn đề amoni phát sinh. Đây là những yếu tố quyết định phạm vi ứng dụng phù hợp của vật liệu, cũng như khả năng phát triển thành một lựa chọn bổ sung cho các giải pháp vật liệu xây dựng hiện nay.

Nguồn tham khảo: ETH Zurich.

Cem.Info