Những vật liệu mãi mãi thay đổi việc xây dựng của loài người

Sự phát triển của các vật liệu xây dựng mới đã cho phép các kiến trúc sư có thể triển khai ý tưởng của mình một cách tốt hơn, khi chúng có thể tạo ra những cấu trúc táo bạo hơn nhờ sự cải thiện về sức mạnh, tính linh hoạt và độ bền của mình. Hiện đây là một lĩnh vực đang phát triển ở mọi thời đại.

Dưới đây là các vật liệu sẽ mãi mãi thay đổi cách chúng ta xây dựng.

Graphene (sự kết hợp giữa các nguyên tử tạo thành dàn tinh thể tổ ong)

Ảnh: Brett G. Compton, Harvard University

Mặc dù không phải là vật liệu xây dựng mới, nhưng graphene không được sử dụng trong xây dựng kể từ khi được phát hiện. Về lý thuyết, nó là một vật liệu tuyệt vời, vì tính nhẹ trong khi mạnh hơn, cứng hơn thép và sợi cacbon. Graphene có thể kết hợp với các vật liệu truyền thống khác để tạo ra các dầm và cáp chắc hơn, cho phép xây dựng các cấu trúc ấn tượng hơn.

Tuy nhiên, graphene rất khó để sản xuất, vì vậy các nhà xây dựng hiếm khi có thể sử dụng nhiều hơn một vài mảnh của nó cho mỗi dự án cho đến hiện tại, khi phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Mỹ đã phát triển một phương pháp sản xuất mới sử dụng một kỹ thuật được gọi là sự lắng đọng hơi hóa học.

Ivan Vlassiouk, người đứng đầu nhóm dự án cho biết, phát hiện này mở rộng đáng kể các ứng dụng tiềm năng và thị trường cho graphene. Bước tiếp theo phải làm là giảm chi phí và cải thiện quy mô, sau đó vật liệu có thể được sử dụng rộng rãi hơn.

Bê tông Roman

Bê tông được sử dụng trong một kho tiền được xây dựng ở Rome cổ đại (Ảnh: Wikimedia Commons)

Các tòa nhà và cấu trúc của Rome cổ đại đã tồn tại trong thời gian rất dài, vì vậy các vật liệu xây dựng mà họ sử dụng phải mang lại những điều đang để học hỏi. Hiện, các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Berkeley của Đại học California đã tạo ra một bước đột phá trong việc tìm ra khóa bí mật cho sự tồn tại lâu dài của những công trình đó, công thức đặc biệt được người La Mã sử dụng để làm ra bê tông.

Không giống như bê tông hiện đại, trong đó xi măng Portland kết nối tổng hợp, bê tông Roman sử dụng hỗn hợp vữa núi đá vôi, phản ứng tạo thành các tinh thể mở rộng vào không gian bên trong bê tông một cách hiệu quả hơn. Điều này thực hiện chức năng của chất xơ trong bê tông gốc Portland, nhưng tốt hơn với việc chống ăn mòn hiệu quả hơn, và liên kết không gian chặt chẽ hơn. Điều này cũng làm giảm nguy cơ vi khuẩn trong bê tông theo thời gian, kéo dài tuổi thọ đáng kể, trong 2.000 năm và hơn thế. Một chuyến đi dạo quanh Rome sẽ chứng minh điều này.

Bê tông Roman không chỉ vững chắc hơn phiên bản hiện đại, nó còn thân thiện hơn với môi trường. Đá vôi và đất sét được sử dụng trong xi măng Portland cần được làm nóng đến hơn 1.400 độ Celsius trong quá trình sản xuất, và tạo ra 7% khí thải carbon trên toàn cầu. Mặt khác, bê tông Roman không cần sự làm nóng này, vì tro núi lửa và vôi được sử dụng phản ứng ở nhiệt độ thấp hơn. Điều này mang đến một công thức mới có tiềm năng mới mạnh hơn, thân thiện hơn với môi trường và bền lâu hơn.

Bê tông tự nhiên

Vẫn là chủ đề bê tông, các nhà nghiên cứu từ MIT đã công bố một đề xuất loại bỏ xi măng khỏi công thức điều chế. Nhiều nhà nghiên cứu từ Khoa Kỹ thuật Dân sự và Môi trường của MIT đang hướng đến một thế giới tự nhiên, theo đó đề xuất việc sử dụng các vật liệu hữu cơ như xương, vỏ và bọt biển để liên kết các thành phần trong bê tông.

Nghiên cứu này là một nỗ lực mới nằm giải quyết những nhược điểm của xi măng Portland, cần năng lượng cần thiết để tạo ra nó, và khả năng rạn nứt theo thời gian. Ý tưởng xuất hiện khi đội nghiên cứu so sánh kiến thức sâu hơn về cấu trúc của vật liệu tự nhiên với sự phỏng đoán trên cấu trúc bên trong của bê tông, vì vậy không có gì đáng ngạc nhiên khi sử dụng các vật liệu quen thuộc hơn theo cách tiếp cận từ dưới lên đối với sản xuất bê tông.

"Bê tông xương" không phải là vật liệu đã sẵn sàng để được đưa vào sử dụng, đây mới là điểm khởi đầu cho các kỹ sư thay đổi cách họ chọn thành phần của sản phẩm xây dựng.

Sợ carbon balsa

Gỗ balsa hữu ích nhờ độ cứng của nó mặc dù rất nhẹ, nhưng rất khó để sản xuất ra vật liệu này và khá tốn kém. Mặc dù vậy, một nhóm các nhà nghiên cứu của Đại học Harvard đã tạo ra các vật liệu tạo ra từ sự liên kết các tế bào có trọng lượng nhẹ và độ cứng để có thể thay thế thay thế gỗ balsa.

Các nhựa nhiệt dẻo dựa trên sự tăng cường bằng sợi thủy tinh và các kỹ thuật in đùn 3D được sử dụng để tạo ra sự thay thế các thành phần trong hỗn hợp. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng những phương pháp này để tạo ra hiệu ứng "tổ ong" trong các vật liệu nhựa epoxy bằng sợi cacbon.

Kết quả cuối cùng là một vật liệu mới có khả năng thay thế hoàn toàn gỗ balsa. Nó không chỉ rẻ hơn, mà còn loại bỏ những vấn đề mà gỗ gặp phải với những hạt không theo quy tắc, khiến cho nó trở nên khó khăn khi sử dụng trong những cấu trúc cần sự chính xác.

Bê tông thân thiện với môi trường

Phát triển các vật liệu xây dựng mới không chỉ là làm cho chúng trở nên mạnh hơn hoặc nhẹ hơn, mà còn làm cho chúng trở nên thân thiện hơn với môi trường. Một nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Teknologi MARA ở Malaysia đã có thể tạo ra một vật liệu như vậy, với việc phát minh ra cái mà họ gọi là "bê tông lẫn".

Sản phẩm này sử dụng các thành phần thông thường cho bê tông trộn với chất thải thích hợp và vật liệu tái chế để tạo ra chất thay thế thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí, mà vẫn đảm bảo tính chất như cũ. Một số vật liệu được sử dụng gồm tro bay, cốt liệu bê tông tái chế và sợi nhôm.

Tơ nhện tổng hợp

Ảnh: MIT

Tơ nhện là một trong những vật liệu ấn tượng nhất của thế giới tự nhiên, với độ bền cực kỳ cao nhờ mật độ tương đối thấp khiến nó mạnh hơn thép. Các nhà nghiên cứu từ lâu đã muốn tạo ra một phiên bản tổng hợp, nhưng bí mật về tơ nhện vẫn là một bí ẩn cho đến bây giờ.

Một nhóm nghiên cứu từ Học viện Công nghệ Massachusetts đã sử dụng kỹ thuật in 3D để tạo ra mạng nhện giả nhằm tìm hiểu thêm về cấu trúc của chúng. Họ tin rằng đây là bước tiếp theo hướng tới một phiên bản tổng hợp.

"Chúng tôi đang trên đà để định lượng cơ chế làm cho mạng lưới nhện trở nên mạnh mẽ”, nhà nghiên cứu khoa học Zhao Qin cho biết.

Gỗ được cải tiến

Nghiên cứu từ Đại học Warwick và Cambridge đã đưa ra sự hiểu biết mới về cấu trúc phân tử của gỗ. Điều này có thể dẫn đến những sử dụng mới cho các nhà máy trong xây dựng, cũng như một phiên bản cải tiến của một trong những vật liệu xây dựng phổ biến nhất trên thế giới.

Các nhà khoa học tìm ra rằng xylan, chiếm khoảng 1/3 cấu trúc của gỗ, có hình dạng khác thường, cho phép họ nghiên cứu cách các phân tử và tế bào được sắp xếp trong những bức tường thực vật.

"Bước tiến quan trọng trong việc hiểu cấu trúc phân tử của thành tế bào thực vật này sẽ ảnh hưởng đến việc sử dụng thực vật cho các vật liệu tái tạo, năng lượng và xây dựng công trình", giáo sư Paul Dupree của Đại học Cambridge nói.