Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và ô nhiễm không khí ngày càng nghiêm trọng, con người đang không ngừng tìm kiếm những giải pháp sáng tạo nhằm giảm lượng khí CO₂ trong môi trường sống. Một trong những phát minh mang tính đột phá gần đây đến từ các nhà khoa học tại ETH Zurich, Thụy Sỹ: một loại vật liệu sống, có khả năng “thở” và tự động làm sạch không khí nhờ hấp thụ carbon dioxide (CO₂). Phát minh này không chỉ đánh dấu bước tiến quan trọng trong lĩnh vực vật liệu xanh mà còn mở ra tiềm năng to lớn trong ứng dụng kiến trúc, xây dựng và công nghiệp.

Sự kết hợp kỳ diệu giữa công nghệ và sinh học

Vật liệu sống là gì?

Khác với những loại vật liệu xây dựng truyền thống như bê tông, gạch, hay thép – vốn hoàn toàn “chết”, không có khả năng tương tác với môi trường – vật liệu sống là một khái niệm mới, chỉ những vật liệu tích hợp các sinh vật thật, có thể tự thực hiện các chức năng sinh học như quang hợp, tự sửa chữa hoặc hấp thụ chất ô nhiễm.

Thành phần chính: Cyanobacteria và hydrogel

Trong dự án này, các nhà khoa học tại ETH Zurich đã kết hợp hai thành phần chính:

Vi khuẩn lam (cyanobacteria): Loài sinh vật quang hợp cổ xưa, tồn tại trên Trái Đất hàng tỷ năm. Cyanobacteria có hiệu suất hấp thụ CO₂ rất cao và khả năng sống sót mạnh mẽ trong nhiều môi trường khác nhau.

Hydrogel: Một loại gel sinh học có khả năng giữ nước, cho phép ánh sáng, khí CO₂ và dưỡng chất thấm qua, đồng thời giữ vi khuẩn lam phân bố đều bên trong mà không bị rửa trôi.

Chính mối quan hệ cộng sinh này đã tạo ra một hệ thống vật liệu “sống”, có thể tăng trưởng, thực hiện quang hợp và hấp thụ CO₂ một cách hiệu quả.

Cơ chế hấp thụ CO₂ kép: Sự khác biệt vượt trội

Điểm nổi bật nhất của vật liệu sống này chính là khả năng hấp thụ CO₂ theo hai cơ chế song song, điều mà các phương pháp sinh học truyền thống chưa làm được:

Hấp thụ CO₂ trong sinh khối sống: Quá trình quang hợp của cyanobacteria giúp chuyển hóa CO₂ thành sinh khối mới, lưu giữ carbon trong các tế bào vi khuẩn.

Kết tủa khoáng chất: Sự thay đổi môi trường hóa học do vi khuẩn tạo ra thúc đẩy việc kết tủa các hợp chất carbonat như canxi carbonat (CaCO₃), giúp lưu trữ CO₂ dưới dạng khoáng chất bền vững lâu dài.

Chính nhờ cơ chế kép này, vật liệu không chỉ hấp thụ CO₂ tức thời mà còn lưu giữ lâu dài, tránh tình trạng CO₂ bị thải ngược ra môi trường như một số giải pháp sinh học hiện nay.

Công nghệ in 3D: Mở ra khả năng thiết kế linh hoạt

Một yếu tố quan trọng giúp dự án này đạt được thành công chính là công nghệ in 3D tiên tiến. Nhờ khả năng tạo hình linh hoạt, các nhà nghiên cứu đã thiết kế ra những cấu trúc vật liệu có:

Bề mặt tiếp xúc lớn: Giúp ánh sáng xuyên sâu hơn vào vật liệu, đảm bảo vi khuẩn quang hợp hiệu quả ở cả lớp trong cùng.

Hệ thống mao dẫn tự nhiên: Cho phép dung dịch dưỡng chất di chuyển thụ động nhờ lực mao dẫn, không cần máy bơm hay năng lượng bổ sung.

Tối ưu hóa dòng khí CO₂: Thiết kế thông minh giúp luồng khí di chuyển đều đặn qua toàn bộ vật liệu.

Chỉ với ánh sáng mặt trời, nước biển nhân tạo và một lượng nhỏ dưỡng chất, vật liệu có thể tự duy trì và phát triển trong thời gian dài.

Hiệu suất hấp thụ CO₂ ấn tượng: 400 ngày hoạt động liên tục

Kết quả từ các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy:

Hiệu suất hấp thụ CO₂ đạt tới 26 mg CO₂ trên mỗi gam vật liệu, một con số cao vượt trội so với nhiều phương pháp sinh học truyền thống.

Thời gian duy trì hoạt động ổn định lên tới 400 ngày, chứng minh tính bền vững và lâu dài của vật liệu.

Đặc biệt, nhờ sự hình thành các khoáng chất bên trong, các cấu trúc mềm ban đầu dần trở nên rắn chắc hơn theo thời gian, tăng độ bền cơ học, mở ra cơ hội sử dụng như vật liệu xây dựng thực thụ.

Ứng dụng thực tế: Từ phòng thí nghiệm ra không gian sống

Không chỉ dừng lại ở quy mô nghiên cứu, nhóm khoa học ETH Zurich đã bắt tay với giới kiến trúc để đưa vật liệu sống này vào thực nghiệm thực tế.

Triển lãm Kiến trúc Venice Biennale

Tại sự kiện kiến trúc danh giá này, hai khối trụ sống cao tới ba mét đã được lắp đặt trong gian trưng bày của Canada. Các khối trụ sử dụng vật liệu chứa cyanobacteria, với khả năng hấp thụ tới 18 kg CO₂ mỗi năm – tương đương lượng CO₂ mà một cây thông 20 năm tuổi có thể xử lý.

Dự án “Dafne’s Skin” tại Milan

Trong một thử nghiệm khác, các nhà nghiên cứu đã phủ lớp vật liệu sinh học lên bề mặt gỗ truyền thống, tạo ra lớp patina xanh rêu sống động. Đây không chỉ là lớp phủ trang trí, mà còn là một cơ chế hấp thụ CO₂ tự nhiên, góp phần cải thiện chất lượng không khí.

Tầm nhìn tương lai: Kiến trúc xanh và vật liệu bền vững

Tiềm năng ứng dụng

Nhóm nghiên cứu ETH Zurich kỳ vọng trong tương lai gần, vật liệu sống này sẽ được sử dụng như một lớp phủ mặt tiền cho các công trình kiến trúc, giúp:

Giảm phát thải CO₂ trong suốt vòng đời của tòa nhà.

Tạo ra lớp cách nhiệt tự nhiên, giảm nhu cầu sử dụng điều hòa, sưởi ấm.

Cải thiện thẩm mỹ đô thị, mang đến những bề mặt sống động, biến đổi theo thời gian.

Tăng cường khả năng cách âm, cách nhiệt, nhờ cấu trúc hydrogel xốp.

Những thách thức cần vượt qua

Dù tiềm năng là rất lớn, vật liệu sống này vẫn còn đối mặt với nhiều thách thức:

Độ bền lâu dài ngoài môi trường tự nhiên: Làm sao để vi khuẩn không chết khi gặp nắng mưa, nhiệt độ khắc nghiệt.

Khả năng bảo trì, chăm sóc vật liệu: Liệu vật liệu có cần "nuôi dưỡng", bổ sung dưỡng chất thường xuyên?

Chi phí sản xuất quy mô lớn: Từ vật liệu phòng thí nghiệm đến vật liệu thương mại sẽ là cả một chặng đường dài về tối ưu chi phí.

An toàn sinh học: Đảm bảo vi khuẩn lam không gây ra tác động tiêu cực đến môi trường xung quanh.

Đặt nền móng cho thế hệ vật liệu mới

Dù còn nhiều thách thức, nghiên cứu này đã mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành vật liệu xây dựng và kiến trúc. Thay vì chỉ tạo ra những bức tường, mái nhà, hay lớp sơn vô tri vô giác, chúng ta đang tiến tới thời kỳ mà các công trình sẽ là những sinh thể sống, có khả năng tương tác với môi trường, tự điều chỉnh theo điều kiện khí hậu, và đặc biệt là góp phần chống lại biến đổi khí hậu.

Vật liệu “xanh chủ động” – Giấc mơ không còn xa

Nếu trước đây, khái niệm “vật liệu xanh” chỉ đơn giản là những vật liệu sản xuất từ nguyên liệu tái chế, ít phát thải, thì giờ đây, chúng ta đã có thể mơ tới “vật liệu xanh chủ động” – nghĩa là vật liệu không chỉ ít gây hại mà còn giúp cải thiện môi trường.

Với những đột phá như vậy, tương lai của ngành xây dựng và công nghiệp vật liệu có thể sẽ chứng kiến sự thay đổi sâu sắc. Tòa nhà trong tương lai có thể không chỉ là nơi trú ngụ, mà còn là “lá phổi đô thị”, giúp làm sạch không khí cho chính những người sinh sống bên trong.

Phát minh về vật liệu in 3D có khả năng “thở” và làm sạch không khí từ ETH Zurich là một cột mốc quan trọng trong hành trình hướng tới nền kinh tế carbon thấp. Với việc kết hợp thành công giữa công nghệ in 3D tiên tiến và sinh học ứng dụng, nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng khoa học và thiên nhiên hoàn toàn có thể cùng nhau giải quyết những thách thức lớn nhất của nhân loại.

Dù chặng đường từ phòng thí nghiệm tới ứng dụng đại trà còn nhiều khó khăn, nhưng với những kết quả khả quan ban đầu, hoàn toàn có thể kỳ vọng rằng trong một tương lai không xa, các thành phố trên thế giới sẽ được bao phủ bởi những lớp vật liệu sống – những bức tường biết hô hấp vì hành tinh xanh.

Nguồn: Tổng hợp