Nâng chất lượng bê tông từ xương sống nhím biển

Từ một cấu trúc tưởng nhỏ bé dưới biển, các nhà khoa học châu Âu đang tìm thấy gợi ý đáng chú ý cho tương lai ngành xây dựng, đặc biệt với vật liệu bê tông. Theo hãng tin UPI, bí mật nằm trong những chiếc xương sống chắc chắn của nhím biển, bộ phận giúp sinh vật này sở hữu khả năng chịu lực đáng kinh ngạc. Nếu giải mã được cách tự nhiên tạo nên cấu trúc ấy, con người có thể học theo để phát triển những vật liệu xây dựng bền hơn, nhẹ hơn và khó nứt gãy. Xương sống nhím biển vốn được xác định cấu tạo từ calcium carbonate, một hợp chất có thể tồn tại dưới nhiều dạng hình học khác nhau trong tự nhiên. Tuy nhiên, thành phần hóa học mới chỉ giải thích một phần câu chuyện, còn cách các vật liệu nhỏ bé sắp xếp, liên kết và phân bổ bên trong mới quyết định độ chắc chắn. Vì thế, nhóm nghiên cứu tập trung tìm hiểu chính xác cấu trúc bên trong xương sống, thay vì chỉ quan sát hình dáng hoặc đo đạc độ cứng bên ngoài. Helmut Coelfen, tác giả nghiên cứu thuộc Đại học Konstanz ở Đức, cho biết giới khoa học từng có những cách nhìn khác nhau về bản chất vật liệu này. Một số người cho rằng xương sống nhím biển là một tinh thể đơn nhất, trong khi những nhà nghiên cứu quan tâm đến cơ học lại nhận thấy nó giống vật liệu thủy tinh hơn. Những kết quả mới từ các nghiên cứu sử dụng tia X đã làm rõ tranh luận, cho thấy xương sống không đơn giản là một khối tinh thể đồng nhất. Thay vào đó, cấu trúc này được tạo nên từ các “viên gạch” calcite tinh thể, liên kết với một lớp “vữa” calcium carbonate không có cấu trúc tinh thể. Hình ảnh gạch và vữa gợi liên tưởng đến cách con người xây tường, nhưng phiên bản trong cơ thể nhím biển tinh vi hơn nhiều về quy mô và cách tổ chức. Nhờ sự kết hợp giữa phần tinh thể cứng cùng phần phi tinh thể có khả năng liên kết, toàn bộ cấu trúc đạt được độ chắc chắn mà một vật liệu đơn nhất khó có được. Theo phân tích của nhóm nghiên cứu, khoảng 92% xương sống là các tinh thể calcite, đóng vai trò như những viên gạch chịu lực chính. Phần còn lại, tương đương 8%, là “vữa” calcium carbonate không có cấu trúc tinh thể, giúp gắn kết các tinh thể trong cùng một hệ thống bền vững. Tỷ lệ tưởng như nhỏ của lớp vữa vẫn giữ vai trò quan trọng, bởi sự phân bố và liên kết giữa các thành phần có thể quyết định cách vật liệu chịu tác động. Khi lực tác động xuất hiện, cấu trúc gạch và vữa có thể giúp hạn chế việc vết nứt lan rộng nhanh chóng qua toàn bộ chiếc xương sống. Đây chính là điểm khiến phát hiện trở nên đáng chú ý đối với những lĩnh vực đang cần vật liệu vừa cứng chắc, vừa có khả năng chống hư hỏng. Các nhà nghiên cứu cho rằng bắt chước nguyên tắc xây dựng của nhím biển có thể mở ra hướng tiếp cận mới trong thiết kế vật liệu nhân tạo. Ứng dụng rõ ràng nhất được nhắc đến là ngành xây dựng, nơi bê tông thường phải đối mặt với nguy cơ nứt gãy trong quá trình sử dụng lâu dài. Nếu mô phỏng thành công cơ chế gạch và vữa tự nhiên, con người có thể phát triển những vật liệu xây dựng chống nứt tốt hơn hiện nay. Helmut Coelfen nhận định rằng chỉ riêng việc bắt chước nguyên tắc tổ chức trong xương sống nhím biển cũng có thể đem lại những kết quả lớn lao. Dù nghiên cứu chưa biến trực tiếp xương sống nhím biển thành bê tông, phát hiện này đã cung cấp một mô hình tự nhiên để các kỹ sư tiếp tục thử nghiệm. Từ sinh vật biển nhỏ bé đến những công trình lớn, bài học nằm ở cách các thành phần khác nhau phối hợp, thay vì chỉ phụ thuộc vào một vật liệu duy nhất. Nhím biển vì thế không chỉ gây chú ý bởi hình dạng đặc biệt, mà còn trở thành nguồn cảm hứng khoa học cho những vật liệu xây dựng bền chắc hơn trong tương lai.