Phát minh chưa từng có của công ty Mỹ: tạo ra siêu vật liệu thay thế sắt thép, có thể làm rung chuyển ngành xây dựng và giao thông vận tải

Các nhà nghiên cứu tại Mỹ vừa công bố một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực vật liệu khi phát triển thành công “siêu gỗ” (Superwood), một dạng gỗ tự nhiên được cải tiến có độ bền tiệm cận thép và nhôm, nhưng nhẹ hơn đáng kể và thân thiện với môi trường hơn. Nghiên cứu do nhóm khoa học thuộc Đại học Maryland thực hiện, được đánh giá có tiềm năng tạo ra thay đổi lớn trong các ngành xây dựng, vận tải và hàng không vũ trụ.

Theo báo cáo của Daily Galaxy, điểm đặc biệt của siêu gỗ nằm ở quy trình chế tạo tương đối đơn giản, không đòi hỏi vật liệu hiếm hay công nghệ tiêu tốn nhiều năng lượng. Thay vì tạo ra vật liệu hoàn toàn mới, các nhà khoa học tập trung vào việc tái cấu trúc gỗ tự nhiên thông qua một quy trình hai bước.

Ở bước đầu, gỗ được xử lý bằng dung dịch hóa học gồm natri hydroxit và natri sunfit nhằm loại bỏ một phần lignin và hemicellulose – hai thành phần làm hạn chế độ dẻo và độ bền của gỗ. Sau đó, vật liệu được ép nóng, khiến cấu trúc tế bào bị nén chặt và sắp xếp lại thành các lớp dày đặc hơn.

Kết quả là một loại vật liệu có đặc tính cơ học vượt trội so với gỗ thông thường. Trong nghiên cứu đã được bình duyệt và công bố trên tạp chí Nature, nhóm tác giả cho biết siêu gỗ đạt độ bền nén trên 160 megapascal và độ bền uốn vượt 330 megapascal. Độ bền kéo trong một số trường hợp tăng gấp năm lần so với gỗ tự nhiên. Đáng chú ý, gỗ sồi sau xử lý có độ bền kéo tăng từ khoảng 115 megapascal lên tới gần 584 megapascal.

Theo các nhà khoa học, sự cải thiện này đến từ việc các sợi nano cellulose bên trong gỗ được ép sát lại, tạo ra mạng lưới liên kết hydro dày đặc. Nhờ đó, siêu gỗ không chỉ bền mà còn có độ dẻo dai cao, hoạt động tương tự các vật liệu composite kỹ thuật, thay vì một vật liệu tự nhiên truyền thống.

Bên cạnh độ bền, siêu gỗ còn khắc phục được nhiều hạn chế cố hữu của gỗ thông thường, đặc biệt là khả năng chịu ẩm, chịu nhiệt và ổn định kích thước. Các thử nghiệm được tiến hành với sự hỗ trợ của Bộ Nông nghiệp Mỹ cho thấy siêu gỗ giãn nở ít hơn đáng kể khi tiếp xúc với môi trường độ ẩm cao. Ngay cả sau hơn 120 giờ trong điều kiện độ ẩm tương đối 95%, vật liệu này vẫn giữ được phần lớn các đặc tính cơ học ban đầu.

Khả năng chống cháy của siêu gỗ cũng được cải thiện rõ rệt. Theo InventWood – công ty đang thương mại hóa công nghệ này – sản phẩm đạt tiêu chuẩn chống cháy loại A, mức cao nhất trong các quy chuẩn xây dựng phổ biến hiện nay, tương đương nhiều vật liệu được xem là ít bắt lửa hơn gỗ truyền thống.

Quy trình chế tạo siêu gỗ có thể áp dụng cho nhiều loại gỗ phổ biến và sinh trưởng nhanh như thông, bạch dương hay tuyết tùng. Điều này cho phép tận dụng nguồn nguyên liệu địa phương, tái tạo, thay vì phụ thuộc vào kim loại khai thác hoặc vật liệu tổng hợp có cường độ phát thải carbon cao.

Từ góc độ môi trường, tác động của công nghệ này được đánh giá là rất lớn. Sản xuất thép hiện đòi hỏi nhiệt độ cực cao và là một trong những nguồn phát thải carbon lớn nhất toàn cầu. Trong khi đó, quy trình sản xuất siêu gỗ diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiều. Phân tích vòng đời của nhóm nghiên cứu cho thấy lượng khí thải carbon có thể giảm tới 90% so với sản xuất thép truyền thống.

Hiện nay, công nghệ siêu gỗ đã vượt ra khỏi phòng thí nghiệm. InventWood – công ty do giáo sư Liangbing Hu, đồng tác giả nghiên cứu, sáng lập – đang triển khai sản xuất thử nghiệm và hợp tác với các đối tác trong lĩnh vực xây dựng, giao thông vận tải và quốc phòng. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm tấm xây dựng nhẹ, linh kiện phương tiện, mô-đun đúc sẵn và các cấu trúc bảo vệ.

Dù khó có thể thay thế hoàn toàn thép trong mọi lĩnh vực, đặc biệt là các môi trường nhiệt độ cực cao hoặc yêu cầu độ chính xác đặc biệt, siêu gỗ được đánh giá là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho nhiều ứng dụng. Nếu được thương mại hóa thành công trên quy mô lớn, vật liệu này có thể góp phần giảm sự phụ thuộc vào các vật liệu phát thải cao và định hình lại cách con người xây dựng trong tương lai.