Phòng nghiên cứu Forest Products của Cục Lâm Nghiệp Mỹ vừa triến khai một dự án thí điểm trị giá 1,7 triệu đô la cho việc sản xuất tinh thể nano của sợi cellulose (cellulose nanocrystals –gọi tắt là CNC) từ các nguyên liệu từ gỗ như mạt gỗ và mùn cưa. Sau khi được xử lý kĩ lưỡng, các sợi CNC có thể bền và cứng hơn so với sợi Kevlar (là loại vật liệu thường được sử dụng sản xuất áo giáp chống đạn) hay sợi Carbon, vì thế việc đưa, kết hợp CNC vào trong các vật liệu tổng hợp sẽ cho ra kết quả là các sản phẩm nhẹ với độ bền cao. Thêm vào đó, giá thành của sợi CNC thấp hơn 10% so với sợi Carbon và sợi Kevlar. Những đặc điểm này không những thu hút sự chú ý của quân đội, đưa vào sử dụng trong việc chế tạo áo giáp khối lượng nhẹ hay kính chống đạn (do sợi CNC trong suốt), mà còn thu hút các công ty thuộc lĩnh vực sản xuất ô tô, hàng không, điện tử, sản phẩm dân dụng và cả công nghiệp y tế.
Cellulose là dạng polymer sinh học có nhiều nhất trên trái đất, được tìm thấy trong các thành tế bào thực vật và các tế bào vi khuẩn. Các sợi cellulose được tạo thành từ các chuỗi dài bao gồm các phân tử glucose, sắp xếp thành một mạng lưới phức tạp vừa tạo nên cấu trúc vừa phần hỗ trợ các tế bào thực vật. Nguồn cung cấp cellulose thương mại chính hiện nay là từ gỗ – được tạo bởi mạng lưới sợi cellulose liên kết với nhau nhờ ma trận lignin, một dạng polime tự nhiên khác dễ phân hủy và tiêu biến.
Bột gỗ được sản xuất bằng nhiều phương pháp, nhưng tựu chung lại chúng đều phá vỡ và rửa trôi lignin, giữ lại sợi cellulose vẩn trong nước. Một sợi cellulose gỗ điển hình chỉ dài khoảng 1mm và rộng vài chục micron.
Cellulose trong bột gỗ khi khô có dạng tương đồng với lông tơ hay xơ gỗ – một lớp cellulose (trong bột gỗ) sẽ mang các tính chất cơ học tương tự như miếng khăn giấy ướt. Hoàn toàn không hề giống với mong đợi của bạn khi nghĩ đến nguồn gốc của một trong những vật liệu bền nhất mà con người từng biết đến. Dẫu sao thì giấy cũng được chế tạo từ cellulose trong bột gỗ nhưng không hề cho thấy tính chất nào khác thường về độ cứng và độ bền.
Các quá trình sau đó bẻ gãy sợi cellulose thành các sợi nano (nanofibrills) với kích thước nhỏ hơn hàng ngàn lần. Trong những sợi nano này, Cellulose mang hình dạng ba chiều của các sợi phân tử glucose dài, không phân nhánh, được kết nối với nhau bởi liên kết hidro. Mặc dù không phải là các liên kết hóa học thực sự song các liên kết hidro giữa các phân tử cellulose tương đối bền và góp phần tạo nên độ bền và độ cứng của các tinh thể nano cellulose.
Bên trong các sợi nano này là phân vùng được sắp xếp chặt chẽ, trong đó các chuỗi cellulose nằm song song bó sát lại với nhau. Một số phân vùng tinh thể đó xuất hiện dọc theo chiều dài của sợi nano, và được tách ra bởi các khối vô định hình. Các tinh thể nano cellulose độc lập được tạo sau đó ra bằng cách tách các khối vô định hình bởi một loại axit mạnh.
Hiện nay, năng suất phân tách CNC từ bột gỗ đạt khoảng 30% và đang có triển vọng cải thiện hơn một chút, song nó vẫn còn tồn tại giới hạn do tỉ lệ của tinh thể so với cellulose vô định hình trong nguồn nguyên liệu. Mục tiêu trước mắt cho chi phí sản xuất CNCs là 10$ với mỗi kg , tuy nhiên nếu sản xuất với tỉ lệ lớn có thể sẽ làm giảm từ khoảng 1 đến 2 $ đối với 1kg.
CNC được tách ra từ bột gỗ thường dài chỉ 1/x micron và có diện tích mặt cắt ngang khoảng vài nanomet. Mật độ của chúng chỉ đạt mức thấp khoảng 1,6g/cc song lại thể hiện độ bền tuyệt vời, với độ đàn hồi (elastic modulus) gần 150 GPa và độ bền (tensile strength) khoảng 10 GPa. Dưới đây là một vài số liệu so sánh với một số nguyên liệu thường gặp:
Nguyên liệu……………….Độ đàn hồi………………Độ bền
CNC……………………….150 GPa…………………1,5 GPa
Kevlar 49…………………..125 GPa………………..3,5 GPa
Sợi Carbon……………….150 GPa…………………3,5 GPa
Ống nano carbon…………300 GPa…………………20 GPa
Thép không gỉ……………..200 GPa………………..0,5 GPa
Gỗ sồi………………………10 GPa……………..….0,1 GPa
Loại vật liệu gia cố có độ bền lớn hơn tinh thể nano cellulose là ống nano cacbon có giá cao hơn gấp 100 lần. Thép không gỉ chỉ được liệt kê để so sánh với các nguyên liệu thông thường khác. Gỗ sồi với độ bền và đàn hồi tương đối kém, cho thấy rằng cấu trúc nguyên liệu tổng hợp có thể làm suy yếu các tính chất cơ học của các vật liệu gia cố như thế nào.
Như hầu hết các nguyên liệu khác, tinh thể nano cenlulo không phải là một loại nguyên liệu hoàn hảo. Kẻ thù lớn nhất của nó chình là nước. Mặc dù, Cellulose không bị hòa tan cũng như phân hủy trong nước. Các liên kết ete giữa các đơn vị glucose của phân tử cenlulo không dễ phá vỡ và cần phải có một loại axit cực mạnh mới có thể kích hoạt phản ứng phân tách.
Các liên kết hidro giữa các phân tử cellulose cũng là rất mạnh trong việc kết hợp để có thể bị bẻ gãy khi tiếp xúc với các phân tử nước. Trên thực tế, để biến các phân tử cellulose trở nên vô định hình thì cần xử lí tinh thể cellulose ở nhiệt độ 320 độ C dưới áp suất 250 atmospheres. Nhưng điều đó không có nghĩa cellulose bị hòa tan mà chỉ bị rối loạn trong cấu trúc tinh thể xếp-chồng-gần-như-hoàn-hảo của chúng mà thôi.
Tuy nhiên cellulose có chứa các nhóm hydroxyl (OH) nằm dọc theo hai bên phân tử cellulose. Các nhóm hydroxyl này có thể tạo thành các liên kết hydro cùng với phân tử nước, kết quả là cellulose sẽ bị thấm nước (một giọt nước cũng sẽ có xu hướng loang khắp bề mặt cellulose). Nếu được cung cấp đủ nước, cellulose sẽ bị ứ nước, căng phồng lên to gần gấp đôi thể tích lúc khô.
Việc phồng lên cho thấy một lượng lớn nano khuyết ở bên trong cấu trúc cenllulose. Mặc dù CNC đơn chỉ phồng lên một chút, song nước có thể xuyên qua cellulose vô định hình một cách dễ dàng và ngăn cách các phân tử cellulose riêng rẽ trong khu vực đấy. Thêm vào đó, các liên kết và bề mặt nội tiếp giữa các CNC cạnh nhau sẽ bị gián đoạn, do đó làm giảm tương đối độ bền của bất cứ nguyên liệu nào gia cố bởi CNC. Càng tệ hơn khi nước có thể di chuyển dễ dàng trên bề mặt, bề mặt nội tiếp của CNC, theo đó cho phép nước xuyên sâu hơn vào trong khối vật liệu tổng hợp có chứa CNC.
Có nhiều hướng tiếp cận để tạo nên các nguyên liệu CNC tổng hợp khả thi trong các ứng dụng thực tế. Cách đơn giản song cũng hạn chế nhất đó là lựa chọn các ứng dụng sao cho chúng không bị phơi dưới nước. Một cách khác là thay đổi bề mặt hóa học của cellulose sao cho nó trở nên không dính nước hoặc không thấm nước. Điều này có vẻ dễ thực hiện song lại phá hủy đáng kể tính chất hóa học của CNC được thay thế. Cách thứ ba là chọn một loại nguyên liệu ma trận không dính nước, và tạo một bề mặt chống dính nước với CNC. Về mặt hóa học đơn thuần, điều này có vẻ không quá khó song trên thực tế lại rất khó vì bề mặt tiếp xúc giữa nguyên liệu không dính nước và nguyên liệu dính nước vốn khá kém bền.
Có lẽ giải pháp thực tiễn nhất đơn giản là sơn hoặc nếu không thì mạ lên lớp nguyên liệu tổng hợp CNC một vài nguyên liệu khác có khả năng chống nước. Với một vật liệu rất giá trị, vừa cứng,vừa bền, giá rẻ như vậy, thì chúng ta có thể chắc chắn một điều rằng những sáng tạo mới sẽ sớm biến lý thuyết thành hiện thực.
———————————————————————
Người dịch: Cẩm Tú, theo Gizmag
———————————————————————
