Giải mã: Hệ thống địa y tổng hợp cho thấy tiềm năng tự phục hồi của bê tông
tác giả: Jennifer Nichols, Đại học Texas A&M
Tóm tắt đồ họa. Nguồn: Materials Today Communications (2025). DOI: 10.1016/j.mtcomm.2025.112093
Hãy tưởng tượng bê tông tự phục hồi các vết nứt của chính nó giống như da người phục hồi sau khi bị cắt. Đó là tầm nhìn đằng sau nghiên cứu mới nhất của Tiến sĩ Congrui Grace Jin, được công bố trên Materials Today Communications.
Giải quyết một trong những vấn đề dai dẳng và tốn kém nhất trong xây dựng, Jin, trợ lý giáo sư tại Khoa Công nghệ Kỹ thuật và Phân phối Công nghiệp, đã lấy cảm hứng từ thiên nhiên để phát triển một hệ thống địa y tổng hợp giúp bê tông tự phục hồi.
Bê tông là vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi nhất trên Trái đất, nhưng nó lại mắc phải một nhược điểm nguy hiểm là dễ nứt. Những vết nứt này, dù lớn hay nhỏ, đều có thể dẫn đến sự cố kết cấu thảm khốc, như đã thấy trong trường hợp sụp đổ của một tòa nhà, cây cầu hoặc đường cao tốc.
Chìa khóa để vượt qua thách thức quan trọng này nằm ở việc hiểu cách bê tông hình thành và cách khai thác quá trình đó. Bê tông được tạo ra bằng cách trộn đá dăm và cát với đất sét và đá vôi dạng bột. Khi thêm nước, hỗn hợp này sẽ đông cứng thông qua phản ứng hóa học gọi là hydrat hóa. Sau khi đông cứng, bê tông trở nên đủ chắc để chịu được mọi thứ, từ xe 18 bánh chạy qua cầu cho đến những người sống trong các tòa nhà chọc trời cao chót vót.
Tuy nhiên, các lực tự nhiên như chu kỳ đóng băng-tan băng, co ngót khô và tải trọng nặng gây ra các vết nứt. Ngay cả những vết nứt mà mắt thường hầu như không nhìn thấy cũng có thể khiến chất lỏng và khí tiếp cận các cốt thép được nhúng, gây ra hiện tượng ăn mòn và làm yếu các kết cấu.
Việc phát hiện ra các vết nứt trước khi chúng gây nguy hiểm đến tính mạng là một thách thức lớn và tốn kém, khi Hoa Kỳ chi hàng chục tỷ đô la hàng năm để sửa chữa cơ sở hạ tầng bê tông. Việc xác định vị trí các vết nứt trên cầu và đường cao tốc thường xuyên được sử dụng là đặc biệt khó khăn.
"Bê tông tự phục hồi nhờ vi khuẩn đã được nghiên cứu rộng rãi trong hơn ba thập kỷ", Jin nói, "nhưng nó vẫn gặp phải một hạn chế quan trọng - không có phương pháp tự phục hồi nào hiện tại là hoàn toàn tự động vì chúng đòi hỏi nguồn cung cấp chất dinh dưỡng bên ngoài để các tác nhân chữa lành liên tục sản xuất vật liệu sửa chữa". Ví dụ, sau khi các thanh tra viên trải qua quá trình tốn nhiều công sức để xác định vị trí vết nứt, họ có thể phải tiêm hoặc phun chất dinh dưỡng vào vết nứt, điều này không thực tế.
Giải pháp của Jin? Khai thác sức mạnh của hệ thống địa y để cho phép bê tông tự phục hồi mà không cần sự can thiệp từ bên ngoài.
Địa y là một sự hiện diện khiêm tốn trong thế giới hàng ngày của chúng ta, thường bám vào cây cối và đá. Vẻ đẹp thực sự của nó nằm ở hệ thống cộng sinh độc đáo của nấm và tảo, hay vi khuẩn lam, tạo thành một mối quan hệ đối tác tự duy trì, cho phép nó phát triển mạnh ngay cả trong những điều kiện khắc nghiệt nhất.
Với nguồn cảm hứng đó, Jin và các nhà nghiên cứu đồng nghiệp của cô, Tiến sĩ Richard Wilson, Nisha Rokaya và Erin Carr của Đại học Nebraska-Lincoln đã tạo ra một hệ thống địa y tổng hợp có khả năng hợp tác như địa y tự nhiên.
Hệ thống của họ sử dụng vi khuẩn lam, biến không khí và ánh sáng mặt trời thành thức ăn, và nấm sợi, sản xuất ra các khoáng chất bịt kín các vết nứt. Khi hoạt động cùng nhau, các vi khuẩn này sống sót chỉ nhờ không khí, ánh sáng và nước. Tính tự chủ của hệ thống này giúp nó khác biệt so với các nỗ lực tự phục hồi bê tông trước đây.
Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, các cặp vi khuẩn này có thể phát triển và sản xuất ra các khoáng chất lấp đầy vết nứt ngay cả trong những môi trường đầy thách thức như bê tông.
Jin đưa công trình của mình vượt ra ngoài phạm vi phòng thí nghiệm để xem xét những hàm ý rộng hơn. Cô đang hợp tác với các giáo sư từ các khoa khoa học xã hội của Đại học Texas A&M để phát triển sự hiểu biết tốt hơn về nhận thức của công chúng về việc sử dụng các sinh vật sống trong xây dựng và các vấn đề đạo đức, xã hội, môi trường và pháp lý liên quan.
Nghiên cứu này có tiềm năng và ứng dụng sâu rộng. Bê tông có khả năng tự phục hồi có thể giảm đáng kể chi phí bảo trì, kéo dài tuổi thọ và thậm chí bảo vệ tính mạng con người thông qua việc tăng cường an toàn. Nó cũng có thể có tác động mạnh mẽ đến mọi lĩnh vực xây dựng bền vững, bao gồm cả cơ sở hạ tầng không gian.
Thông tin thêm: Nisha Rokaya và cộng sự, Thiết kế hệ thống đồng nuôi cấy vi khuẩn lam diazotrophic và nấm sợi để ứng dụng tiềm năng trong bê tông tự phục hồi, Materials Today Communications (2025). DOI: 10.1016/j.mtcomm.2025.112093
Do Đại học Texas A&M cung cấp
