Các nhà khoa học từ Đại học Rice và Đại học Houston đã giới thiệu một phương pháp mới để sản xuất vật liệu sinh học cường độ cao dựa trên cellulose vi khuẩn, có tiềm năng trở thành một trong những giải pháp thay thế cho các loại nhựa hóa dầu. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications vào tháng 7 năm 2025, mô tả một quy trình sinh tổng hợp có khả năng mở rộng quy mô, trong đó vi khuẩn tự "xây dựng" cấu trúc vật liệu dưới sự kiểm soát của dòng chất lỏng thay vì phát triển hỗn loạn như trong điều kiện bình thường.
Công trình được dẫn dắt bởi Muhammad Maqsood Rahman, Phó giáo sư Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Hàng không Vũ trụ tại Đại học Houston phối hợp cùng Đại học Rice. Tác giả chính của bài báo là nghiên cứu sinh M.A.S.R. Saadi từ Đại học Rice, cùng với sự tham gia của Shyam Bhakta (Rice) và các kỹ sư, nhà khoa học vật liệu như Pulickel Ajayan, Matthew Bennett, Matteo Pasquali cùng những người khác. Dự án nhận được sự hỗ trợ tài chính từ một số quỹ của Mỹ, bao gồm Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (NSF), Quỹ Lâm nghiệp và Cộng đồng, cùng Quỹ Welch.
Cơ chế hoạt động của công nghệ
Thông thường, cellulose vi khuẩn phát triển dưới dạng một mạng lưới sợi nano định hướng lộn xộn và rời rạc, điều này làm hạn chế độ bền cũng như khả năng chịu tải của nó. Trong hướng tiếp cận mới, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một lò phản ứng sinh học quay, nơi dòng chảy của chất lỏng sẽ định hướng chuyển động cho vi khuẩn Gluconacetobacter, và từ đó xác định hướng sắp xếp của các sợi mà chúng tạo ra.
Dưới sự kiểm soát của động lực học chất lỏng, các nhà khoa học đã thu được những tấm vật liệu nén chặt, xếp thẳng hàng theo một hướng duy nhất với giới hạn độ bền kéo đạt khoảng 436 megapascal. Ở phiên bản lai, khi đưa thêm các tấm nano boron nitride vào quá trình tăng trưởng, độ bền có thể đạt tới khoảng 553 megapascal, trong khi độ dẫn nhiệt của vật liệu cao gấp ba lần so với cellulose vi khuẩn thông thường. Tất cả các công đoạn này đều diễn ra trong một bước duy nhất ở nhiệt độ phòng, không cần dùng dung môi độc hại hay các điều kiện lên men tự nhiên phức tạp.
Tính thân thiện với môi trường, đặc tính và ứng dụng tiềm năng
Loại "nhựa giấy" vi khuẩn này vẫn giữ được khả năng phân hủy sinh học và không đòi hỏi phải tiêu hủy bằng cách đốt hay xử lý nhiệt-hóa như hầu hết các polymer tổng hợp. Ngoài ra, công nghệ này cho phép sử dụng môi trường nuôi cấy tương đối đơn giản, và trong tương lai có thể tận dụng các loại phế phẩm nông nghiệp làm nguồn dinh dưỡng cho quá trình lên men, hỗ trợ ý tưởng về một quy trình sản xuất chi phí thấp và có thể mở rộng quy mô.
Các nhà khoa học nhận thấy tiềm năng ứng dụng của loại vật liệu mới này theo một số hướng chính:
- bao bì, nơi nó có thể thay thế một phần các loại màng bọc và hộp nhựa dùng một lần;
- linh kiện ô tô và xây dựng, những nơi cần sự kết hợp giữa độ bền và trọng lượng nhẹ;
- các thành phần điều hòa nhiệt, ví dụ như bộ phận tản nhiệt cho thiết bị điện tử;
- dệt may và điện tử "xanh", bao gồm cả màn hình dẻo và các loại cảm biến;
- hệ thống năng lượng và vật liệu composite, nơi độ bền và khả năng chịu tải đóng vai trò then chốt.
Hạn chế và lý do đây không phải là một "cuộc cách mạng tức thì"
Mặc dù rất hứa hẹn, vật liệu này vẫn chưa sẵn sàng để thay thế hoàn toàn nhựa truyền thống về cả sản lượng lẫn chi phí. Để triển khai ở quy mô công nghiệp, sẽ cần phải:
- thiết lập quy trình sản xuất quy mô lớn;
- giải quyết các vấn đề về tiêu chuẩn hóa và các quy định pháp lý;
- chứng minh độ tin cậy lâu dài trong các điều kiện lâm sàng, ô tô và công nghiệp thực tế.
Tuy nhiên, đội ngũ từ Đại học Rice và Đại học Houston định vị đây là một trong những công nghệ đầu tiên mà tính thân thiện với môi trường không đòi hỏi sự đánh đổi về độ bền và tính ổn định. Trong những năm tới, họ có kế hoạch phát triển các dây chuyền sản xuất thử nghiệm cùng với các đối tác công nghiệp, đồng thời nghiên cứu các biến thể mới của vật liệu cho các lĩnh vực sử dụng chuyên biệt.
