Con người từ lâu đã tìm đến thiên nhiên để tìm giải pháp, từ việc giải mã những bí ẩn của chuyến bay cho đến việc tạo ra những vật liệu bền hơn. Đối với Javier Fernandez, Phó Giáo sư tại Đại học Công nghệ và Thiết kế Singapore (SUTD), thiên nhiên là bản thiết kế cho tính bền vững. "Không giống như kỹ thuật sử dụng nhiều năng lượng của xã hội chúng ta, thiên nhiên hoạt động theo mô hình khan hiếm và tìm ra giải pháp mà không cần tiếp cận các nguồn năng lượng mạnh hoặc vận chuyển vật liệu", ông nhận xét.
Bản sao kim loại của đầu ong mật (Apis mellifera), được tạo ra ở nhiệt độ phòng và áp suất, sử dụng cùng nguyên tắc mà côn trùng sử dụng để tạo thành bộ xương ngoài của chúng. Tín dụng: SUTD
Chitin, được tìm thấy ở khắp mọi nơi trong tự nhiên, từ tôm đến vỏ sò và nấm, là một vật liệu hữu cơ đáng được xem xét kỹ hơn. Ngoài việc là vật liệu hữu cơ phổ biến thứ hai trên Trái đất, nó còn bền và nhẹ, khiến nó trở thành vật liệu lý tưởng cho nhiều ứng dụng kỹ thuật.
"Chitin cũng có ái lực mạnh với kim loại", Phó Giáo sư Fernandez cho biết. "Chúng tôi quyết định đánh giá xem ái lực này, kết hợp với các quá trình định hình lớp biểu bì, có thể được sử dụng để sản xuất các cấu trúc kim loại chức năng theo cách 'sinh học' hay không".
Trong thế giới tự nhiên, kim loại, mặc dù hiếm khi được sử dụng, có thể được tìm thấy trong một số cấu trúc kitin, chẳng hạn như lớp biểu bì và bộ xương ngoài của côn trùng và động vật giáp xác. Bằng cách đào sâu hơn vào mối quan hệ giữa chitin và các dẫn xuất của chúng đối với kim loại, Fernandez và nhóm của ông đã thiết kế một phương pháp tiếp cận mới đối với gia công kim loại, được công bố trong bài báo của họ, "Một phương pháp tiếp cận sinh học đối với gia công kim loại dựa trên keo và vật liệu tổng hợp chitin", trên tạp chí Advanced Functional Materials.
Thông qua việc sử dụng thiết kế và công nghệ lấy cảm hứng từ các hợp chất kitin này, nhóm nghiên cứu đã chứng minh được một phương pháp mới để sản xuất các cấu trúc kim loại chức năng mà không tốn chi phí năng lượng thông thường.
Trong gia công kim loại truyền thống, nhiệt độ và áp suất cao là yếu tố cần thiết để làm tan chảy và định hình kim loại. Điều này hoàn toàn trái ngược với cách kim loại được kết hợp vào vật liệu kitin trong tự nhiên, diễn ra trong điều kiện môi trường xung quanh.
Lấy ví dụ về các hợp chất kim loại có trong lớp biểu bì của động vật chân đốt như vỏ cua. Thông thường, kim loại chỉ đi vào vỏ cua ở giai đoạn sau của quá trình phát triển chitin—chitin sẽ cứng lại thành vỏ thông qua quá trình thuộc da và mất nước trước khi bất kỳ kim loại nào từ môi trường được thêm vào.
Điều này tương tự như cách các hợp chất kim loại cũng có thể được đưa vào chitosan, một dẫn xuất của chitin, như các nhà nghiên cứu đã phát hiện trong các thí nghiệm của họ. Họ có thể tạo ra các hợp chất kim loại rắn ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn chỉ bằng cách đưa một lượng rất nhỏ chitosan và nước vào giữa các hạt kim loại khác nhau.
Khi nước bốc hơi, các phân tử chitosan sẽ mô phỏng quá trình kết dính trong lớp biểu bì, kéo các hạt lại với nhau với lực mạnh đến mức chúng trở thành chất rắn liên tục có 99,5% là kim loại.
Fernandez ví quá trình chế tạo này giống như quá trình hình thành bê tông và giải thích rằng, "Bằng cách đổ các hạt kim loại vào chitosan đã hòa tan và để chúng 'khô', chúng ta có thể tạo ra các bộ phận kim loại lớn mà không bị hạn chế bởi quá trình nóng chảy".
Mặc dù các vật liệu composite chitometallic này không bền về mặt vật lý, nhưng các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng vật liệu này có độ dẫn điện tốt và có thể in 3D. Đồng thời, vật liệu này vẫn cho thấy khả năng tương thích với các vật liệu sinh học khác mặc dù chỉ chứa một lượng nhỏ chitosan. Điều này mở ra khả năng đưa các đặc tính chitometallic này vào các vật liệu sinh học khác, chẳng hạn như gỗ và xenlulo.
Fernandez tin rằng công nghệ này tạo ra một mô hình mới về gia công kim loại. Mặc dù thiếu sức mạnh cơ học, vật liệu sinh học chế tạo này phù hợp với các thành phần kim loại không chịu tải, chẳng hạn như các thành phần điện hoặc điện cực pin. Gia công kim loại cho một số thành phần hiện có thể được thực hiện mà không cần tốn nhiều tài nguyên.
"Công nghệ này không thay thế các phương pháp truyền thống mà cho phép tạo ra các phương pháp sản xuất bổ sung mới", ông nhấn mạnh.
Kể từ đó, nhóm của Fernandez đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế thành công cho phương pháp chế tạo tiên tiến này và hiện đang tìm cách thiết kế một công nghệ mới để phát triển các linh kiện điện tử 3D có khả năng phân hủy sinh học, có thể mở đường cho các phương pháp sản xuất hiệu quả và bền vững hơn.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
