Các mạch vi khuẩn có thể hình thành hệ thống tự phục hồi cho cơ sở hạ tầng bê tông
của Đại học Drexel
Ảnh SEM của sợi lõi BioFiber với lớp phủ hydrogel. Tín dụng: Đại học Drexel
Với hy vọng tạo ra các kết cấu bê tông có thể sửa chữa các vết nứt, các nhà nghiên cứu từ Trường Cao đẳng Kỹ thuật thuộc Đại học Drexel đang tạo ra một bước tiến mới trên một thủ thuật cũ nhằm cải thiện độ bền của bê tông.
Gia cố sợi đã xuất hiện kể từ khi những người thợ xây đầu tiên trộn lông ngựa vào bùn của họ. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu của Drexel đang đưa phương pháp này lên một tầm cao mới bằng cách biến các sợi gia cố thành một hệ thống mô sống có tác dụng đưa vi khuẩn chữa lành bê tông đến vị trí vết nứt để sửa chữa hư hỏng.
Được báo cáo gần đây trên tạp chí Xây dựng và Vật liệu Xây dựng, "BioFiber" của Drexel là một sợi polyme được bọc trong hydrogel chứa đầy vi khuẩn và một lớp vỏ bảo vệ, chống hư hại. Nhóm báo cáo rằng lưới BioFibers được nhúng trong một cấu trúc bê tông có thể cải thiện độ bền của nó, ngăn chặn các vết nứt phát triển và cho phép tự phục hồi.
Amir Farnam, Tiến sĩ, phó giáo sư tại Trường Cao đẳng Kỹ thuật, đồng thời là trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết: “Đây là một bước phát triển thú vị cho những nỗ lực không ngừng nhằm cải tiến vật liệu xây dựng sử dụng nguồn cảm hứng từ thiên nhiên”.
"Hàng ngày, chúng ta đều thấy rằng các cấu trúc bê tông cũ kỹ của chúng ta đang bị hư hại, làm giảm tuổi thọ chức năng của chúng và cần phải sửa chữa nghiêm trọng và tốn kém. Hãy tưởng tượng chúng có thể tự lành lại? Trong da của chúng ta, mô của chúng ta thực hiện điều đó một cách tự nhiên thông qua cấu trúc sợi nhiều lớp được truyền vào chất lỏng tự phục hồi của chúng ta—máu. Những sợi sinh học này bắt chước khái niệm này và sử dụng vi khuẩn tạo đá để tạo ra bê tông sống tự phục hồi có khả năng đáp ứng hư hại."
Kéo dài tuổi thọ của bê tông không chỉ mang lại lợi ích cho ngành xây dựng mà còn trở thành ưu tiên hàng đầu của các quốc gia trên thế giới đang nỗ lực giảm khí thải nhà kính. Quá trình tạo ra các thành phần của bê tông — đốt hỗn hợp khoáng chất, chẳng hạn như đá vôi, đất sét hoặc đá phiến ở nhiệt độ vượt quá 2.000 độ F — chiếm 8% lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu.
Cấu trúc bê tông có thể xuống cấp trong vòng ít nhất là 50 năm, tùy thuộc vào môi trường của chúng. Giữa việc thay thế và nhu cầu ngày càng tăng đối với các tòa nhà mới, bê tông là vật liệu xây dựng được tiêu thụ nhiều nhất và có nhu cầu cao nhất trên thế giới.
Sản xuất bê tông có tuổi thọ cao hơn sẽ là một bước tiến lớn trong việc giảm thiểu tác động của nó đến hiện tượng nóng lên toàn cầu, chưa kể đến việc giảm chi phí sửa chữa cơ sở hạ tầng lâu dài, đó là lý do tại sao Bộ Năng lượng Hoa Kỳ gần đây đã nỗ lực tập trung vào việc cải thiện nó.
Hệ thống BioFiber của Drexel sử dụng sợi lõi cấu trúc được phủ hydrogel chứa đầy vi khuẩn được bọc trong lớp vỏ polymer để cho phép bê tông tự sửa chữa. Ảnh: Đại học Drexel
Trong thập kỷ qua, Drexel đã đi đầu trong việc tìm cách cải thiện tính bền vững và độ bền của bê tông, và phòng thí nghiệm của Farnam là một phần trong nhóm tham gia vào nỗ lực của Bộ Quốc phòng nhằm củng cố các cấu trúc lão hóa của bê tông.
Mohammad Houshmand, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Farnam, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Trong nhiều năm, khái niệm vật liệu tổng hợp xi măng tự phục hồi sinh học đã được nuôi dưỡng trong Phòng thí nghiệm Vật liệu Cơ sở hạ tầng Tiên tiến”.
"Dự án BioFiber thể hiện nỗ lực hợp tác, đa ngành, tích hợp kiến thức chuyên môn từ các lĩnh vực kỹ thuật dân dụng, sinh học, hóa học và khoa học vật liệu. Mục tiêu chính là tiên phong phát triển công nghệ BioFiber tự phục hồi đa chức năng, thiết lập các tiêu chuẩn mới ở điểm giao thoa của những môn học đa dạng này."
Phương pháp tạo ra BioFibers của nhóm được lấy cảm hứng từ khả năng tự phục hồi của mô da và vai trò của hệ thống mạch máu trong việc giúp các sinh vật tự chữa lành vết thương. Nó sử dụng một kỹ thuật sinh học mà họ đã phát triển để cho phép tự sửa chữa cơ sở hạ tầng bê tông với sự trợ giúp của vi khuẩn khoáng hóa sinh học.
Phối hợp với các nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Caroline Schauer, Chủ tịch Kỹ thuật Margaret C. Burns dẫn đầu, Tiến sĩ Christopher Sales, phó giáo sư và Tiến sĩ Ahmad Najafi, trợ lý giáo sư, tất cả từ Trường Cao đẳng Kỹ thuật, nhóm đã xác định được một chủng vi khuẩn Lysinibacillus sphaericus là chất chữa lành sinh học cho sợi.
Vi khuẩn bền vững, thường được tìm thấy trong đất, có khả năng thúc đẩy một quá trình sinh học gọi là kết tủa canxi cacbonat do vi sinh vật gây ra để tạo ra vật liệu giống như đá có thể ổn định và cứng lại thành miếng vá dành cho các vết nứt lộ ra trên bê tông.
Khi được tạo ra nội bào tử, vi khuẩn có thể tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt bên trong bê tông, nằm im cho đến khi được kích hoạt.
Hình ảnh hiển vi điện tử quét của hệ thống bê tông tự phục hồi BioFiber của Drexel, cho thấy cấu trúc sợi lõi có lớp phủ hydrogel và vỏ polymer. Ảnh: Đại học Drexel
"Một trong những điều tuyệt vời về nghiên cứu này là cách mọi người giải quyết vấn đề theo chuyên môn khác nhau của họ và nhờ đó, các giải pháp tạo ra Sợi sinh học mới mạnh mẽ hơn rất nhiều", Schauer nói.
"Việc lựa chọn sự kết hợp phù hợp giữa vi khuẩn, hydrogel và lớp phủ polymer là trọng tâm của nghiên cứu này và chức năng của BioFiber. Lấy cảm hứng từ thiên nhiên là một chuyện, nhưng biến nó thành một ứng dụng bao gồm các thành phần sinh học có thể cùng tồn tại trong một chức năng." cấu trúc là một công việc khá khó khăn—một công việc đòi hỏi một đội ngũ chuyên gia đa dạng để đạt được thành công."
Để lắp ráp BioFiber, nhóm bắt đầu với lõi sợi polymer có khả năng ổn định và hỗ trợ các cấu trúc bê tông. Nó phủ lên sợi một lớp hydrogel chứa nội bào tử và bọc toàn bộ tổ hợp bằng một lớp vỏ polyme phản ứng với tổn thương, giống như các mô da. Toàn bộ tổ hợp dày hơn nửa mm một chút.
Được đặt trong một lưới xuyên suốt bê tông khi đổ, BioFiber hoạt động như một chất hỗ trợ gia cố. Nhưng khả năng thực sự của nó chỉ được bộc lộ khi một vết nứt xuyên qua bê tông đủ để xuyên qua lớp vỏ polymer bên ngoài của sợi.
Khi nước xâm nhập vào vết nứt, cuối cùng chạm tới BioFiber, nó làm cho hydrogel nở ra và đẩy nó ra khỏi vỏ và hướng lên bề mặt vết nứt. Trong khi điều này xảy ra, vi khuẩn được kích hoạt từ dạng nội bào tử của chúng với sự hiện diện của carbon và nguồn dinh dưỡng trong bê tông. Phản ứng với canxi trong bê tông, vi khuẩn tạo ra canxi cacbonat, hoạt động như một vật liệu kết dính để lấp đầy vết nứt trên bề mặt.
Thời gian lành vết thương cuối cùng phụ thuộc vào kích thước vết nứt và hoạt động của vi khuẩn – một cơ chế mà nhóm hiện đang nghiên cứu – nhưng những dấu hiệu ban đầu cho thấy vi khuẩn có thể thực hiện công việc của mình chỉ trong một đến hai ngày.
Farnam cho biết: “Mặc dù còn nhiều việc phải làm trong việc kiểm tra động học của quá trình tự sửa chữa, nhưng phát hiện của chúng tôi cho thấy đây là một phương pháp khả thi để ngăn chặn sự hình thành, ổn định và sửa chữa các vết nứt mà không cần sự can thiệp từ bên ngoài”. “Điều này có nghĩa là một ngày nào đó BioFiber có thể được sử dụng để tạo ra cơ sở hạ tầng bê tông 'sống' và kéo dài tuổi thọ của nó, ngăn chặn nhu cầu sửa chữa hoặc thay thế tốn kém."
