Siêu vật liệu chống đạn, chống cháy và bền hơn cả thép

[miro1510]

Một loại gỗ mềm được biến đổi ở cấp độ phân tử đã trở thành thành một thứ vật liệu bền hơn cả thép nhưng nhẹ hơn 6 lần, đồng thời có khả năng chống đạn và chống cháy.

Trong nhà kho rộng lớn của startup có tên InventWood, một vật liệu mới lạ sẽ bắt đầu được sản xuất hàng loạt trong thời gian tới: Gỗ mềm được biến đổi ở cấp độ phân tử thành một thứ vật liệu bền hơn cả thép nhưng nhẹ hơn tới 6 lần.

Superwood - tên của loại vật liệu đặc biệt này, được kỳ vọng có thể thay thế các dầm thép trong khung xương của một tòa nhà, đồng thời đủ khả năng chống va đập để làm cửa chống đạn.

Ngoài ra, vật liệu này còn có khả năng chống cháy. Lớp bên ngoài của Superwood cũng sẽ cacbon hóa theo cách bảo vệ bên trong, khiến nó không bị sập trong lửa như thép.

Gỗ biến đổi

Liangbing Hu có thể được xem như "nhà phát minh" của những loại gỗ kỹ thuật. Trước khi giảng dạy tại Yale, Hu từng là giám đốc ở Trung tâm Đổi mới Vật liệu tại Đại học Maryland.

Ở đó, ông đã phát minh ra nhiều loại gỗ khác biệt với những tính năng như trong suốt, có thể đúc như nhựa và bật nảy như bóng cao su. Tất cả các phát minh của Hu đều liên quan đến việc xử lý gỗ ở cấp độ phân tử.

Năm 2018, Hu và các đồng nghiệp của ông tiếp tục gây tiếng vang trong giới khoa học vật liệu khi trình bày công nghệ tạo ra Superwood trong một bài báo trên Nature.

Để tạo ra vật liệu này, nhóm bắt đầu bằng cách nấu và xử lý gỗ bằng hóa chất. Sau đó, họ nén nó, giúp một tấm ván thông thường nhẹ hơn đến 4 lần. Trong quá trình này, Hu phát hiện ra thí nghiệm đã đẩy các sợi cellulose gần nhau hơn và làm sập các kênh tạo nên hệ thống tuần hoàn của cây.

Thoạt đầu, thí nghiệm này tưởng chừng giống như một phát hiện gây chú ý nhưng cuối cùng sẽ nằm yên trong phòng trưng bày. Đã có rất nhiều người tìm đến Hu để hỏi về việc kinh doanh. Lúc đó, ông trả lời họ rằng bản thân chỉ là một giáo sư đại học và không biết làm gì tiếp theo với dự án này cả.

Tuy nhiên thay vì từ bỏ, Hu đã dành vài năm tiếp theo để tinh chỉnh công nghệ, rút ngắn thời gian sản xuất vật liệu từ hơn một tuần xuống chỉ còn vài giờ.

Sau sự chú ý ban đầu, bất ngờ là hầu hết đều coi Superwood là một điều kỳ lạ. Tuy nhiên, Alex Lau, CEO của InventWood, đã liên hệ với Hu và giúp thương mại hóa công ty này vào năm 2021.

Startup này sau đó đã nhận được khoản tài trợ 20 triệu USD từ Bộ Năng lượng vào năm 2022, và nhận thêm 30 triệu USD tài chính từ nhiều nhà đầu tư khác nhau.

Tiềm năng to lớn

Hiện startup này đang sản xuất những lô Superwood đầu tiên, bắt đầu từ mùa hè năm nay. Lau cho biết quy mô nhà máy thương mại đầu tiên kiểu này vẫn còn nhỏ. Các sản phẩm ban đầu sẽ được ứng dụng để xây “lớp da” của tòa nhà, những phần không chịu lực, nhưng vẫn đòi hỏi thẩm mỹ và độ bền.

Một mẫu ván Superwood (ván tối màu hơn) đặt cạnh gỗ thông thường, đang trải qua thử nghiệm uốn cong có trọng lượng trong thời gian dài. Ảnh: Wall Street Journal.

Về lâu dài, họ muốn tiến tới thay thế phần xương sống của công trình từ vật liệu truyền thống sang gỗ siêu cứng. “90% lượng phát thải carbon từ các tòa nhà đến từ bê tông và thép trong quá trình xây dựng”, ông Lau cho biết.

Để xây dựng nhà máy này, InventWood đã huy động được 15 triệu USD trong vòng gọi vốn Series A đầu tiên. Quá trình được Quỹ Grantham dẫn dắt, cùng sự tham gia của Baruch Future Ventures, Builders VC và Muus Climate Partners, 3 quỹ nổi bật ở lĩnh vực đầu tư vào công nghệ bền vững, khí hậu và đổi mới vật liệu.

Sản phẩm Superwood bắt đầu từ gỗ thông thường, vốn chủ yếu gồm hai hợp chất cellulose và lignin. Thực tế, tinh thể nano cellulose thực ra còn cứng hơn cả sợi carbon. Vì thế, mục tiêu chính là tăng cường độ bền cho tinh chất vốn có này trong gỗ.

Công ty sử dụng hóa chất được dùng trong ngành thực phẩm để biến đổi cấu trúc phân tử của gỗ, sau đó tiến hành nén chặt vật liệu nhằm tăng số lượng liên kết hydro giữa các phân tử cellulose.

Với khả năng nén vật liệu lại gấp 4 lần, nhiều người sẽ nghĩ Superwood mạnh hơn số lần tương tự. “Nhưng thực tế, nó mạnh hơn khoảng 10 lần nhờ vào các liên kết bổ sung được tạo ra trong quá trình này”, Lau giải thích.

Khi được kẹp giữa loại gỗ thông thường có màu sáng hơn, Superwood có thể gia cố các sản phẩm thay thế chịu lực cho dầm thép trong kết cấu khung nhà. Ảnh: Wall Street Journal.

Kết quả của quy trình là một loại vật liệu có giới hạn sự đứt cao hơn thép 50% và tỷ lệ giữa độ bền và trọng lượng tốt hơn gấp 10 lần, công ty cho biết. Vật liệu này cũng đạt chuẩn chống cháy loại A (Class A), tức là rất khó bắt lửa, có khả năng chống mục nát và côn trùng phá hoại.

Thực tế, việc đưa Superwood vào làm các yếu tố kết cấu trong các tòa nhà hay không vẫn cần đòi hỏi sự chứng nhận từ các đối tác của công ty, bao gồm các nhà xây dựng và kiến trúc sư. Bên cạnh đó, Superwood cũng đòi hỏi các quy trình xây dựng mới, vì vật liệu này đủ mạnh để loại bỏ các mối nối thép điển hình trong các cấu trúc gỗ kỹ thuật.

Ngoài ra, theo WSJ, các ứng dụng của vật liệu này có thể vượt ra ngoài mảng xây dựng. Superwood giống như sợi carbon, nhưng ít giòn hơn. Loại vật liệu này đã được sử dụng trong mọi thứ từ thiết bị thể thao và giày tennis đến xe đua hay máy bay.