Ngỡ tưởng chỉ để hấp bia, con bề bề lại là tương lai của thiết kế công nghiệp bền vững

Các nhà nghiên cứu biết rằng vỏ ngoài của động vật giáp xác như tôm, cua, tôm hùm... không có bất kỳ thành phần hóa học nào đặc biệt để trở nên cứng chắc như vậy. Thay vào đó, chúng có cấu trúc vi mô độc đáo.

Từ trước đến nay, chúng ta vẫn chưa thể tạo ra loại vật liệu nhân tạo hoàn hảo. Lấy ví dụ như bê tông, rất mạnh mẽ, chịu tải đáng kinh ngạc, cho phép con người xây cầu vượt biển, nhà chọc trời. Tuy nhiên, nó cũng khá giòn, dễ dàng nứt toác nếu nhiệt độ thay đổi đột ngột.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học California Riverside đã phát hiện ra cách đầy hứa hẹn để tạo ra vật liệu và thiết kế công nghiệp (xe cộ, mũ bảo hiểm, pin...) bền vững hơn trong tương lai. Nguồn cảm hứng này đến từ hàng tỷ năm tiến hóa và kiến trúc vi mô trong vỏ của loài giáp xác.

"Mỗi khi đến phòng thí nghiệm vật liệu, chúng tôi lại làm ra những thứ tồi tệ...", Pablo Zavattieri, nhà nghiên cứu tại trường Kỹ thuật Xây dựng Lyles nói. "Thay vào đó, chúng tôi đang nghiên cứu vận dụng những nguyên tắc thiết kế trong tự nhiên, làm thế nào để tăng đặc tính của vật liệu mà không phải hy sinh những giá trị khác".

Trong thập kỷ qua, Zavattieri đã cộng tác với Đại học California Riverside để tìm hiểu cách sinh vật sống tạo ra những cấu trúc ấn tượng nhất trên trái đất. Ban đầu, nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu vỏ sò, với thành phần chính là canxi cacbonat (giống như xương người). Chúng có những đặc tính ấn tượng, tuy nhiên họ lại tìm thấy thứ còn tốt hơn nhiều.

Càng bề bề (hay còn gọi là tôm tít).

"Trong khi nghiên cứu vỏ sò, chúng tôi vô tình phát hiện ra bề bề có thể đục vỡ vỏ với cú đấm cực mạnh bằng chân phụ giống cái búa", Zavattieri nói. "Chúng tôi sẽ nghiên cứu [cái búa] của bề bề".

Các nhà nghiên cứu biết rằng vỏ ngoài của động vật giáp xác như tôm, cua, tôm hùm... không có bất kỳ thành phần hóa học nào đặc biệt để trở nên cứng chắc như vậy. Thay vào đó, chúng có cấu trúc vi mô độc đáo - cấu trúc sợi chồng chất lên nhau theo một hướng duy nhất - mỗi lớp đổi hướng một chút xếp chồng lên như giống như cầu thang xoắn ốc (helicoidal).

Các kỹ sư cơ khí đã vận dụng cấu trúc sợi bên trong để tăng cường sức mạnh của vật liệu nhân tạo, cho dù đó là "xơ" trong sợi carbon hay cốt thép trong bê tông, họ đã phát triển một phương pháp tương tự như động vật giáp xác.

Nhưng điều khác biệt là chúng có các lớp sợi xoay. Vật liệu tổng hợp nhân tạo thường chỉ có sợi của chúng chạy theo một hướng duy nhất trên toàn bộ vật liệu.

Vật liệu dựa trên cấu trúc vỏ giáp xác có độ nứt khác nhau tại những vị trí khác nhau.

Mặt khác, vật liệu dựa trên cấu trúc vỏ giáp xác có độ nứt khác nhau tại những vị trí khác nhau. Trong khi bê tông, sợi carbon... lại tạo nên những vết nứt lớn. Tuy nhiên, bằng cách thêm cấu trúc xoắn ốc, các vết nứt trên vật liệu nhân tạo về cơ bản sẽ khó lan rộng.

"Thay vì tạo ra vết nứt lớn, nó sẽ tạo ra nhiều vết nứt cấp độ nano", Zavattieri nói. Những vết nứt này tạo ra những gì các nhà khoa học gọi là "thất bại duyên dáng", hoặc thiệt hại vi mô có thể hấp thụ các tác động từ bên ngoài mà không gây tổn hại đến cấu trúc của cả hệ thống. Qủa thật, nếu làm ra được loại bê tông như Zavattieri nói, các tòa nhà trong tương lai sẽ có khả năng chống chịu động đất tốt hơn nhiều.

Máy in 3D sẽ định hình bê tông thành cấu trúc xoắn ốc nhỏ, khiến bê tông chống chịu lực tốt hơn.

Vì sao nói bê tông là vật liệu hứa hẹn với cấu trúc này? Đơn giản vì ta không cần thêm bất cứ thứ gì vào hỗn hợp. Thay vào đó, máy in 3D sẽ định hình bê tông thành cấu trúc xoắn ốc nhỏ, khiến bê tông chống chịu lực tốt hơn.

Không chỉ bê tông, mũ bảo hiểm, vỏ xe ô tô và pin là những gì thừa hưởng thiết kế tự nhiên trong cấu trúc vỏ giáp xác.

Pin chính là ví dụ tuyệt vời về tính hao mòn của vật liệu mà ít ai biết tới: Chúng phân hủy mỗi khi sạc hoặc xả do phản ứng hóa học diễn ra. Với cấu trúc xoắn ốc, cấu trúc cơ học bên trong viên pin sẽ bền bỉ hơn, đồng nghĩa với việc phát năng lượng lâu hơn.