Da người có thể tự tái tạo và tự điều chỉnh - đây là tuyến phòng thủ đầu tiên của cơ thể chống lại sự hao mòn trong cuộc sống hàng ngày. Một khi bị thương tổn, trong cơ thể khởi động rất nhiều quy trình tự sửa chữa để bảo vệ và phục hồi cơ thể. Ví dụ như các tác nhân đông máu có thể giúp cầm máu vết thương, hình thành lớp vảy để bảo vệ vết thương khỏi bị nhiễm trùng, và các tác nhân làm lành bắt đầu tái tạo mô mới.

Lấy cảm hứng từ cơ chế phục hồi tự nhiên này, một nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Cambridge đã đặt câu hỏi, liệu khả năng cảm nhận tổn hại và tự sửa chữa có thể thiết kế cho một loại vật liệu hoàn toàn khác là bê tông hay không. Mục đích ở đây là để sản xuất ra loại vật liệu có tuổi thọ kéo dài mãi mãi, với một hệ thống phản ứng khẩn cấp trước mọi hình thức tổn hại hóa lý bằng cách tự sửa chữa.

Vật liệu tự phục hồi đã được Diễn đàn Kinh tế Thế giới bình chọn là một trong mười công nghệ hàng đầu của năm 2013 và đang được tích cực khai thác trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, chúng mang lại các lợi ích về an toàn và tuổi thọ. Nhưng có lẽ một lĩnh vực mà khả năng tự phục hồi có thể có tác dụng rộng rãi nhất đó là trong bê tông xây dựng.

 Bê tông có mặt khắp mọi nơi mà ta có thể nhìn thấy: trong các tòa nhà, cầu, đường cao tốc, và các đập nước. Nó còn có mặt ở những nơi mà chúng ta không thể nhìn thấy như: móng nhà, đường hầm, các cơ sở chứa chất thải hạt nhân dưới lòng đất, và các giếng dầu và khí đốt. Sau nước, bê tông là sản phẩm tiêu thụ nhiều thứ hai trên thế giới; tính theo khối lượng tấn, hàng năm nó được sử dụng nhiều hơn gấp hai lần so với thép, nhôm, nhựa và gỗ kết hợp lại.

Nhưng giống như hầu hết mọi thứ, bê tông có tuổi thọ hữu hạn. Thông thường, các công trình dân dụng đã áp dụng nhiều thiết kế để đảm bảo kết cấu an toàn cho dù có xảy ra các sự cố tác động xấu. Nhưng, về lâu dài, việc sửa chữa và cuối cùng thay thế là điều không thể tránh khỏi, theo Giáo sư Abir Al-Tabbaa, Khoa Kỹ thuật công trình và là người lãnh đạo bộ phận Cambridge của dự án nghiên cứu cho biết.

Mỗi năm Vương quốc Anh chi khoảng 40 tỉ bảng Anh cho việc sửa chữa và bảo dưỡng các công trình xây dựng hiện hành, chủ yếu là bằng bê tông. Tuy nhiên, việc sửa chữa và thay thế các kết cấu bê tông gây ra những gián đoạn và góp phần làm tăng mức phát thải khí cacbon đioxit vốn đã cao do kết quả của sản xuất xi măng. Điều gì sẽ xảy ra nếu như tuổi thọ của tất cả các kết cấu bê tông, mà trên thực tế là hầu hết các loại vật liệu làm từ xi măng, bao gồm cả hồ, vữa có thể kéo dài được tuổi thọ trung bình đến vài thập kỷ, hoặc gấp đôi, hay nhiều hơn, thông qua cơ chế tự sửa chữa?

Từ năm 2013, các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Cambridge đã kết hợp với các cộng sự tại Đại học Cardiff và Bath để thực hiện dự án chế tạo vật liệu xây dựng thế hệ 'thông minh", bao gồm cả bê tông. "Các nỗ lực trước đây trong lĩnh vực này tập trung vào các công nghệ riêng lẻ chỉ cung cấp được một phần giải pháp khắc phục bản chất rất đa dạng về kích thước, không gian và thời gian của các hư hại" theo giáo sư Al-Tabbaa giải thích. Ngược lại, nghiên cứu được Hội đồng nghiên cứu Khoa học và Kỹ thuật Vật lý tài trợ lần này đã tạo ra được một cơ hội thú vị để xem xét những lợi ích của việc kết hợp nhiều "gói chữa trị" trên cùng một mảng bê tông.

Giống như nhiều quá trình xảy ra trên da, một sự kết hợp các công nghệ có tiềm năng bảo vệ bê tông khỏi bị hư hại về nhiều mặt, và hơn nữa còn có thể bảo vệ bê tông theo cách giữ nguyên vẹn được mãi mãi các tác nhân sửa chữa.

Thiệt hại cơ học có thể gây ra các vết nứt, khiến cho nước thấm qua; việc đóng băng và tan băng sau đó có thể làm các vết nứt rộng hơn. Việc trôi mất canxi trong bê tông vào nước có thể làm cho các vùng mất canxi bị giòn, dễ gãy. Và nếu vết đứt gãy đủ sâu để cho nước thấm đến các thanh dầm cốt thép, thì tiếp sau đó ăn mòn và phân rã báo hiệu sự chấm hết của kết cấu.

Nhóm nghiên cứu Cambridge khắc phục các hư hại ở phạm vi kích thước nano/micro bằng cách triển khai các viên nang siêu nhỏ (microcapsules) bên trong có chứa một thành phần khoáng chất có tác dụng hàn gắn. Nó giống như một bộ sơ cứu được bọc trong một cái bong bóng: ý tưởng là những tác động lý hóa sẽ làm cho các viên nang vỡ ra, giải phóng các thành phần hàn gắn chữa lành các tổn thương.

Một thách thức khác là phải đảm bảo các viên nang đủ bền để có thể trộn lẫn trong máy trộn xi măng, nhưng cũng phải đủ mỏng để có thể bật mở khi xảy ra những vết đứt gãy dù là nhỏ nhất. Các kỹ thuật sản xuất viên nang sáng tạo đang được nghiên cứu để có thể mở rộng công suất cung cấp khối lượng lớn các viên nang cần thiết để sử dụng trong xây dựng.

Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu Bath đang nghiên cứu chức năng hàn gắn phạm vi trung bình kích thước micro/meso sử dụng vi khuẩn tạo bào tử (spore-forming bacteria), hoạt động như những nhà máy sản sinh khoáng chất nhỏ xíu, cung cấp dưỡng chất bổ sung cho xi măng và tạo điều kiện cho quá trình lắng động canxit để bịt các vết nứt trong bê tông. Các kỹ thuật khác để chứa, bảo vệ vi khuẩn và các dưỡng chất trong thành phần ximăng đang được nghiên cứu, bao gồm cả các viên nang đang được phát triển tại Cambridge.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Cardiff đang triển khai kỹ thuật chế tạo dây chằng "nhớ hình" (shape memory) bằng nhựa plastic đưa vào thành phần xi măng để gắn các vết nứt lớn kích thước cỡ meso/macro thông qua việc kích hoạt sự co rút của dây chằng bằng nhiệt.

Cùng lúc, các nhóm nghiên cứu đang tiến đến hợp tác với các công ty để mở rộng quy mô sản xuất đến mức độ có thể sản xuất được hàng tấn xi măng. Ngoài ra, ba nhóm nghiên cứu cũng đang bắt đầu thử nghiệm kết hợp kỹ thuật của các nhóm để tìm ra công thức tối ưu về khả năng tự phục hồi.

Nguồn: NASATI, ngày 25/3/2015