Chưa từng có: Mỹ tạo ra loại vật liệu thay thế thép, làm rung chuyển ngành xây dựng, giao thông, quốc phòng

Trong bối cảnh thế giới tìm kiếm các vật liệu bền vững để thay thế kim loại truyền thống, một nhóm nhà khoa học Mỹ vừa công bố nghiên cứu về “siêu gỗ” (Superwood) là loại gỗ tự nhiên được cải tiến có độ bền tiệm cận thép và nhôm, song nhẹ hơn nhiều và thân thiện với môi trường.

Công trình do các nhà nghiên cứu thuộc University of Maryland thực hiện, được đánh giá có thể tạo ra bước ngoặt cho các ngành xây dựng, vận tải và hàng không vũ trụ.

Điểm đáng chú ý của siêu gỗ không nằm ở việc phát minh ra một vật liệu hoàn toàn mới, mà ở cách các nhà khoa học “tái cấu trúc” gỗ tự nhiên. Theo Daily Galaxy, quy trình chế tạo tương đối đơn giản, không cần đến vật liệu hiếm hay công nghệ tiêu tốn nhiều năng lượng.

Cụ thể, gỗ trước tiên được xử lý bằng dung dịch hóa học gồm natri hydroxit và natri sunfit để loại bỏ một phần lignin và hemicellulose là hai thành phần khiến gỗ kém linh hoạt và hạn chế khả năng chịu lực. Sau bước này, vật liệu được ép nóng, làm các tế bào gỗ bị nén chặt và sắp xếp lại thành cấu trúc dày đặc hơn.

Nhờ quá trình xử lý đó, các đặc tính cơ học của gỗ được cải thiện vượt trội. 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. Đặc biệt, với gỗ sồi, chỉ số này có thể tăng từ khoảng 115 megapascal lên gần 584 megapascal sau xử lý.

Theo các nhà khoa học, chìa khóa của sự cải thiện nằm ở cấu trúc vi mô. Các sợi nano cellulose bên trong gỗ được ép sát vào nhau, hình thành mạng lưới liên kết hydro dày đặc. Nhờ đó, siêu gỗ không chỉ cứng mà còn dẻo dai, có cách chịu lực tương tự các vật liệu composite kỹ thuật hiện đại, thay vì hành xử như một vật liệu tự nhiên truyền thống.

Bên cạnh độ bền, siêu gỗ còn khắc phục nhiều hạn chế vốn có của gỗ thông thường. Các thử nghiệm, với sự hỗ trợ của Bộ Nông nghiệp Mỹ, cho thấy vật liệu này ổn định hơn rõ rệt trong môi trường ẩm. Ngay cả sau hơn 120 giờ tiếp xúc với độ ẩm tương đối 95%, siêu gỗ vẫn giữ được phần lớn các đặc tính cơ học ban đầu. Khả năng chịu nhiệt và ổn định kích thước cũng được cải thiện đáng kể.

Một ưu điểm khác là khả năng chống cháy. Theo InventWood, doanh nghiệp đang thương mại hóa công nghệ này để siêu gỗ đạt tiêu chuẩn chống cháy loại A, mức cao nhất trong nhiều quy chuẩn xây dựng hiện hành, tương đương các vật liệu vốn được xem là ít bắt lửa hơn gỗ truyền thống.

Quy trình sản xuất siêu gỗ có thể áp dụng cho nhiều loại gỗ phổ biến, 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 lượng phát thải carbon cao.

Từ góc độ môi trường, tiềm năng của siêu gỗ được đánh giá là rất lớn. Sản xuất thép hiện nay đòi hỏi nhiệt độ cực cao và là một trong những nguồn phát thải carbon lớn nhất toàn cầu. Trong khi đó, quy trình chế tạo 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 công nghệ này đã bước ra khỏi phòng thí nghiệm. InventWood, 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 điều kiện, đặc biệt ở những môi trường nhiệt độ cực cao hoặc yêu cầu độ chính xác đặc biệt, siêu gỗ vẫn được xem là một giải pháp thay thế đầy triển vọng. Nếu được thương mại hóa thành công trên quy mô lớn, vật liệu này có thể góp phần giảm sự phụ thuộc vào các ngành công nghiệp phát thải cao và mở ra cách tiếp cận mới cho tương lai xây dựng.