Thời gian qua, ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy sự biến đổi khí hậu thảm khốc của Trái đất. Khi môi trường sống đang dần xấu đi, nhân loại phải hành động trước khi viễn cảnh thảm khốc của hành tinh chết chóc trở thành thực tế không thể thay đổi.

Trong hàng triệu năm, hành tinh trải qua nhiều sự biến đổi môi trường đột ngột. Sự dịch chuyển kiến tạo của các mảng lục địa, sự biến động trong những dòng chảy đại dương, sự phát triển và sụp đổ của những dãy núi trên toàn cầu là một trong nhiều nguyên nhân gây ra những biến đổi khí hậu trong quá khứ. Bảy lần chu kỳ băng hà xuất hiện và thoái trào đã đưa Trái đất đến như chúng ta đang sống ngày nay.

Dù những biến đổi này là một phần của quá trình tiến hóa trên hành tinh trong hàng triệu năm, nơi mà sự thay đổi hiện tại do hoạt động của con người là nguyên nhân của những thay đổi nghiêm trọng, phi tự nhiên trong khoảng thời gian chỉ vài thế kỷ.

Nhưng sứ mệnh thực hiện các chuyển đổi vật liệu nhằm chấm dứt ô nhiễm hành tinh lại đang sử dụng quy trình công nghiệp có hại để sản xuất và chế tạo, điều đó buộc phải phát triển công nghệ xanh và thân thiện với môi trường, nhằm đạt mục đích có được một hành tinh sạch và khỏe mạnh.

Tre, nguyên liệu thay thế tiềm năng cho vật liệu tổng hợp

Thực tế, thiên nhiên đã cung cấp những giải pháp hoàn mỹ cho sự phụ thuộc vào vật liệu tổng hợp của thế giới. Các vật liệu tự nhiên, như những sản phẩm làm từ xenlulo có thể có được các tính năng cơ học tương tự như những sản phẩm chế tạo từ vật liệu tổng hợp, chẳng hạn như độ bền và độ dẻo dai ngay cả trong trường hợp mật độ phân tử thấp.

Nhưng so với các vật liệu tổng hợp polymer hiện nay, những vật liệu phát triển trên cơ sở xenlulo mang lại lợi thế đặc biết là quy trình sản xuất với chi phí tương đối rẻ với khối lượng thành phẩm lớn.

Trong số những loại vật liệu tự nhiên tiên tiến như xenlulo, tre là một trong những giải pháp hứa hẹn nhất trong quá trình tìm kiếm những vật liệu tự nhiên, đáp ứng nhu cầu những ứng dụng công nghệ và cơ khí tiên tiến.

Tre thực sự là một loại cỏ, sinh trưởng chủ yếu ở các vùng khí hậu nhiệt đới và ẩm ướt Châu Á, Úc, Bắc và Nam Mỹ, Châu Phi cận Sahara với gần 1500 loài khác nhau.

Tre sử dụng như nguyên liệu bền vững, thân thiện môi trường, được dùng để chế tạo những vật liệu có thể phân hủy sinh học 100% và thân thiện với môi trường. Tre có những đặc điểm vô cùng thuận lợi:  Thứ nhất, tre không cần phân bón để phát triển vì sức sống mạnh mẽ và có thể trồng ở đất bạc màu và nhanh chóng phát triển thành rừng.

Tre khi sinh trưởng có những tác động có lợi cho đất vì lá héo, rơi sẽ phân hủy, giải phóng chất dinh dưỡng vào đất, khiến đất trở lên màu mỡ cho những cây tre phát triển sau.

Một điểm đặc biệt quan trọng, tre mọc rất nhanh; trên thực tế, tre là một trong những loài thực vật phát triển nhanh nhất trên hành tinh với tốc độ gần 4 cm mỗi giờ (khoảng 90 cm mỗi ngày).

Đặc tính này cho phép thu hoạch tre 3-5 năm một lần, nhanh hơn nhiều so với 20-60 năm thường từ gỗ truyền thống, đồng thời tre mọc lại rất nhanh, giúp hạn chế nạn phá rừng.

Một trong những đặc tính quý giá là, tre làm giảm lượng khí thải carbon do hấp thụ carbon dioxide nhiều hơn bốn lần và tạo ra nhiều hơn khoảng 35% oxy so với cây thông thường.

Nguyên vật liệu có những đặc tính cơ học ưu việt

Có thể khẳng định rằng, tre chính là nguyên liệu phôi cần thiết để tạo ra những vật liệu bền vững, thân thiện với môi trường. Bền vững hơn bê tông nhưng linh hoạt đến mức có thể được sử dụng làm giấy, loại nguyên liệu này có thể cung cấp cho những ứng dụng đa dạng từ quần áo đến đóng tàu thuyền, đóng đồ nội thất và sử dụng trong xây dựng. Những đặc tính cơ học đáng ngạc nhiên của tre khiến tiềm năng ứng dụng công nghệ rộng rãi đến vô cùng.

Để tăng cường những tính năng cơ học của tre tự nhiên, thường phải xử lý cây tre trước bằng phương pháp tẩy trắng, hơi nước bão hòa và dầu nóng. Nhưng kết quả của những quá trình này chỉ cải thiện một phần độ bền sức kéo và uốn của tre qua xử lý, độ bền kéo cơ học đạt được thấp hơn 10-20 lần so với giới hạn lý thuyết.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Maryland, Mỹ dưới sự lãnh đạo của ciáo sư Liangbing Hu phát triển một phương pháp hiệu quả và chi phí thấp để sản xuất các nguyên liệu từ tre, khối lượng nhẹ và mật độ phân tử lớn, bền vững.

 

Toàn bộ quá trình này, tạo ra miếng nguyên liệu được gọi là “tre đặc”, khác biệt hoàn toàn với miếng tre tự nhiên. Hàm lượng hemixenluloza và lignin có trong tre ban đầu bị loại bỏ một phần, tăng cường lượng xenluloza.

Ở kích thước vi mô, các sợi xenluloza còn lại liên kết tốt hơn và những chuỗi phân tử xenluloza xích lại gần nhau hơn, tạo điều kiện hình thành liên kết hydro và tăng cường lực van der Waals. Quy trình này nâng cao đáng kể mật độ phân tử của vật liệu và quan trọng nhất là cải thiện rất nhiều những tính chất cơ học.

Cường độ cụ thể đo được của nguyên liệu tre nén phân tử là 777 MPa cm3 g-1, cao hơn nhiều so với những vật liệu thông thường, được sử dụng trong các kết cấu như polyme, nhựa, hợp kim và thậm chí cả thép.

Những phát hiện này mở ra hướng sử dụng hàng loạt nguyên liệu này cho những ứng dụng kỹ thuật. Trong tương lai, loại nguyên liệu này có thể được chế tạo các loại vật liệu thông dụng trong đời sống, thay thế những vật liệu hiện nay đang là mối đe dọa nguy hiểm đối với môi trường vì một hành tinh sạch hơn và cuộc sống bền vững hơn.