Công nghệ mới lấy cảm hứng từ sinh học đã sẵn sàng để phá vỡ ngành công nghiệp vật liệu tổng hợp (Composite)

Hàng triệu năm trước, tôm mantis ‘smasher’, một trong những loài săn mồi mạnh nhất tự nhiên, đã tiến hóa để phát triển một cấu trúc bên trong nhằm bảo vệ bộ chùy (càng) giống như búa mà nó sử dụng để nghiền nát con mồi với tốc độ và lực đáng kinh ngạc.

Hàng triệu năm trước, tôm mantis ‘smasher’, một trong những loài săn mồi mạnh nhất tự nhiên, đã tiến hóa để phát triển một cấu trúc bên trong nhằm bảo vệ bộ chùy (càng) giống như búa mà nó sử dụng để nghiền nát con mồi với tốc độ và lực đáng kinh ngạc.

Tôm odontodactylus scyllarus mantis © Roy L. Caldwell, Khoa Sinh học Tích hợp, Đại học California, Berkeley.

Cấu trúc độc đáo này bao bọc xung quanh bộ chùy của tôm mantis bảo vệ nó khỏi nguy hại tự gây ra khi nó nghiền nát con mồi có vỏ cứng.

Đại học California Riverside (UCR) đã dành hơn 11 năm và hơn 9 triệu đô la cho kỹ thuật đảo ngược bộ chùy (kỹ thuật đảo ngược di truyền trong công nghệ gen) và đã xác định rằng đó không phải do vật liệu bên ngoài, mà là chính cấu tạo bên trong cung cấp cho tôm sức mạnh và sự dẻo dai. Vật liệu này được sắp xếp thành các thớ sợi song song, xếp chồng lên nhau sao cho mỗi thớ bị lệch một góc so với thớ bên dưới nó. Kiến trúc độc đáo này được gọi là helicoid và hiện đã được UCR cấp bằng sáng chế và cấp phép cho Tập đoàn Helicoid Industries Inc. thương mại hóa việc sử dụng nó trong vật liệu composite.

Sản xuất vật liệu composite siêu mạnh sử dụng cấu trúc helicoid này sẽ giúp chúng nhẹ hơn, mạnh hơn, cứng hơn và chống va đập tốt hơn.

Quá trình sản xuất bất kỳ sản phẩm composite nào hiện nay được sản xuất với sự liên kết sợi theo hướng thẳng truyền thống và chỉ cần sử dụng cấu trúc helicoid, sẽ mang lại một trong hai lợi ích (hoặc kết hợp cả hai):

Các phần của vật liệu composite sẽ mang lại độ bền và độ dẻo dai tương tự, nhưng chỉ cần sử dụng khoảng một nửa vật liệu để đạt được các tính chất này, dẫn đến giảm chi phí vật liệu, giảm trọng lượng và hiệu quả năng lượng tốt hơn.

Sử dụng cùng một lượng vật liệu sẽ mang lại khoảng gấp đôi độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống sát thương sẽ được ưu tiên trong các ứng dụng trong đó việc giảm trọng lượng không phải là yếu tố kiểm soát như áo giáp hoặc áo chống đạn. Những lợi ích của cấu trúc helicoid đã được chứng minh với bất kể các vật liệu nào được sử dụng để tạo ra vật liệu composite.

Cấu trúc helicoid này là một công nghệ nền tảng có thể dễ dàng được áp dụng cho nhiều ngành công nghiệp, những ngành mà không ngừng tìm kiếm các thành phần nhẹ hơn và mạnh hơn.

Công nghệ tạo ra vật liệu có cấu trúc tương tự lớp gỗ được xoắn lại, được phát triển bởi David Kisailus, giáo sư kỹ thuật hóa học và môi trường, cũng như khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Đại học California, Riverside.

Trong tôm mantis, cấu trúc helicoid ngăn chặn các vết nứt phát triển và cuối cùng tiêu tan một lượng năng lượng đáng kể từ các cú đánh để tránh sự thất bại nặng nề. Nó đạt được sức chịu đựng trước các va chạm mạnh mà không cần tăng thêm trọng lượng không cần thiết. Giáo sư Kisailus và nhóm của ông đã khám phá ra việc sản xuất các vật liệu và linh kiện composite siêu mạnh sử dụng cấu trúc helicoid này dẫn đến các sản phẩm nhẹ hơn, cứng hơn và chống va đập tốt hơn.

Tập đoàn Helicoid Industries hiện nay hy vọng sẽ cấp phép công nghệ cho các mặt hàng thể thao, tuabin gió, hàng không vũ trụ, phụ tùng ô tô, quốc phòng và các ngành công nghiệp linh kiện công nghiệp. Tác động trong mặt hàng thể thao có thể là đáng kể, trong đó trọng lượng của thiết bị là một vấn đề.

Tuy nhiên, tác động lớn nhất có thể nhận thấy trong sản xuất tua-bin gió nơi mà chi phí sản xuất năng lượng thấp hơn của các cánh tuabin lớn hơn nhưng có hạn chế do tăng thêm trọng lượng của các cánh tuabin này. Vật liệu composite Helicoid sẽ tạo ra các cánh tuabin lớn hơn, nhẹ hơn và cải thiện hiệu quả và hiệu quả chi phí của việc sản xuất năng lượng từ gió.

Văn phòng hợp tác công nghệ UC Riverside, hay OTP, dẫn đầu về chuyển giao công nghệ, hợp tác trong ngành và chủ doanh nghiệp cố gắng phối hợp với trường đại học. Nhóm OTP tích hợp các chuyên gia thương mại hóa và sở hữu trí tuệ, cố vấn từ EPIC SBDC, văn phòng Trung tâm phát triển doanh nghiệp nhỏ và các nhà khoa học đã hợp tác chặt chẽ với tập đoàn Helicoid Industries để hỗ trợ quá trình cấp phép và gây quỹ để đảm bảo công việc này thành công.

Ông Rosibel Ochoa, phó hiệu trưởng phụ trách đối tác công nghệ tại UC Riverside cho biết: “Chúng tôi rất vui mừng được hợp tác với  tập đoàn Helicoid Industries để thương mại hóa công nghệ độc đáo này”.

Helicoid đang hoàn thiện vòng tài trợ trị giá 5 triệu đô la Mỹ để xây dựng đội ngũ quản lý và bán hàng và hoàn thành sản xuất mẫu. Dự kiến công nghệ này sẽ được thương mại hóa trước cuối năm 2019.

https://www.insidecomposites.com/natural-fibres/new-bioinspired-technology-poised-to-disrupt-the-composites-industry/

Người dịch: Nguyễn Thị Hường