Từ lò nung xi măng đến “thợ xây” vi khuẩn
Công nghệ xây dựng sinh học bằng vi khuẩn in 3D là phương pháp dùng vi sinh vật tạo chất kết dính tự nhiên giữa các hạt cát, kết hợp với in 3D và robot để tạo ra vật liệu xây dựng bền vững có hình dạng phức tạp, cứng lại ở nhiệt độ phòng mà không cần nung trong lò, qua đó góp phần giảm phát thải carbon của ngành xây dựng. Điểm mấu chốt của câu chuyện không nằm ở việc tạo ra một vật liệu lạ mắt, mà ở việc thách thức mô hình sản xuất xi măng – một trong những nguồn phát thải CO2 lớn nhất của xây dựng hiện nay. Tại một viện nghiên cứu ở Zurich, nhà khoa học Karen Antorveza Paez đang biến vi khuẩn thành “thợ xây”, liên kết các hạt cát thành kết cấu rắn chắc mà không cần cung cấp nhiệt. Đây không phải là thử nghiệm bên lề, mà là luận án tiến sĩ với tham vọng đặt nền móng cho một thế hệ vật liệu xây dựng bền vững mới.
Vi khuẩn in 3D: Từ “mực sinh học” đến tấm vách 1m²
Phương pháp đầu tiên mà nhóm của Paez phát triển là in 3D bằng vật liệu chứa vi khuẩn – đúng nghĩa vi khuẩn in 3D. Họ trộn cát và vi khuẩn sống Sporosarcina pasteurii vào một hỗn hợp gel chủ yếu là nước, alginate, xanthan, tạo thành “mực in” sinh học có thể được đùn ra từng lớp theo bản thiết kế. Sau khi in, sản phẩm còn mềm, phải được ngâm trong dung dịch urê và canxi clorua từ 2 đến 5 ngày để vi khuẩn tạo ra các tinh thể canxi carbonate, đan cài giữa những hạt cát và làm toàn bộ kết cấu cứng lại ở nhiệt độ phòng. Nhóm đã chứng minh tính khả thi bằng một tấm vách rộng 1m², ghép từ 16 bộ phận với các đường uốn lượn và lỗ rỗng, dùng làm mặt đứng công trình, tấm che nắng hoặc vách ngăn. Đây là câu trả lời rất cụ thể cho câu hỏi: liệu công nghệ xây dựng sinh học có thể tạo ra sản phẩm kiến trúc thực thụ, chứ không chỉ mẫu thí nghiệm?
Robot phun từng lớp: Vật liệu phân tầng lấy cảm hứng từ đá stromatolite
Phương pháp thứ hai táo bạo hơn: dùng cánh tay robot phun lần lượt vi khuẩn, các thành phần khoáng hóa và cát lên bề mặt, lặp đi lặp lại để vật liệu dày lên từng lớp. Kết cấu phân tầng này lấy cảm hứng từ đá stromatolite – loại đá trầm tích hình thành nhờ vi sinh vật tích tụ khoáng chất trong tự nhiên. Khác với in 3D, kỹ thuật phun bỏ qua bước ngâm trong bể dung dịch; robot đưa trực tiếp các thành phần cần thiết vào vị trí, mở ra khả năng tự động hóa toàn bộ quy trình sản xuất. Tại một triển lãm kiến trúc lớn, nhóm đã vận hành hệ thống này liên tục trong 6 tháng để khách tham quan chứng kiến quá trình vật liệu “mọc lên” từng lớp. Đây là một câu nói đáng trích: “Chúng tôi đã chứng minh rằng toàn bộ quy trình sản xuất xi măng sinh học có thể được tự động hóa”. Tuy vậy, vật liệu hiện mới phù hợp cho bề mặt, chưa sẵn sàng cho kết cấu chịu lực; đặc tính cơ học và sự phân bố hạt, chất kết dính bên trong vẫn cần được nghiên cứu thêm.
Vật liệu xây dựng bền vững: Tiềm năng lớn, câu hỏi môi trường còn bỏ ngỏ
Về lý thuyết, việc dùng vi khuẩn tạo chất kết dính tự nhiên giữa các hạt cát để thay thế quy trình nung nhiệt độ cao truyền thống là một bước tiến rõ ràng hướng tới giảm phát thải carbon. Vật liệu cứng lại ở nhiệt độ phòng, không cần lò nung như xi măng, và có thể tạo hình phức tạp nhờ in 3D và robot theo đúng tinh thần công nghệ xây dựng sinh học. Nhưng nếu coi đây là vật liệu xây dựng bền vững, chúng ta không thể bỏ qua mặt trái của quá trình sinh học. Khi vi khuẩn phân hủy urê, sản phẩm phụ ammonium có thể gây hại cho môi trường; nếu không tính đến việc kiểm soát và xử lý ammonium ngay từ khâu thiết kế quy trình, xi măng sinh học khó có thể được xem là giải pháp xây dựng bền vững. Độ bền hiện tại cũng mới ở mức gần với vữa hơn là bê tông, trong khi công thức bê tông đã được tối ưu suốt hơn một thế kỷ. Nói cách khác, tiềm năng giảm phát thải là rõ, nhưng cái giá môi trường và kỹ thuật vẫn chưa được trả lời đầy đủ.
Tương lai của vi khuẩn xây dựng: Từ phòng thí nghiệm đến công trình
Điểm đáng giá nhất của những thử nghiệm này là chúng buộc ngành xây dựng phải nghĩ lại từ gốc: thay vì ép vật liệu chịu nhiệt độ cực cao, tại sao không để các quá trình tự nhiên làm phần việc nặng nhọc? Nghiên cứu của Paez mở ra hướng tiếp cận mới, kết hợp sinh học với chế tạo kỹ thuật số, nhưng chính nhóm nghiên cứu cũng thừa nhận việc ứng dụng rộng rãi vẫn cần thêm thời gian để đánh giá độ bền và tác động môi trường. Trong thời gian tới, ưu tiên không phải là tạo thêm các mẫu vách uốn lượn, mà là xử lý ammonium, hiểu rõ đặc tính cơ học, tối ưu kích thước và tỷ lệ hạt để vật liệu ổn định hơn. Nếu những bài toán này được giải quyết, vi khuẩn xây dựng có thể trở thành nền tảng cho một thế hệ vật liệu mới trên Trái Đất – và về lâu dài, cho các môi trường khắc nghiệt khác – nơi mang theo lò nung khổng lồ không còn là lựa chọn hợp lý. Cho đến lúc đó, đây vẫn là lời nhắc mạnh mẽ rằng con đường giảm phát thải carbon không chỉ nằm ở năng lượng, mà còn ở chính vật liệu chúng ta dùng để dựng nên thế giới.
