Nhóm nhà khoa học Việt tại Singapore biến chất thải kim loại thành aerogel

Nghiên cứu này sẽ mở ra những ứng dụng đầy hứa hẹn trong vật liệu xây dựng trọng lượng nhẹ và phát triển tế bào cho mục đích y sinh.

Chất thải nhựa, vải sợi, giấy, lá dứa… đến kim loại đều được “hô biến” thành aerogel

Kim loại là một trong những vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Chúng được dùng để sản xuất dụng cụ nấu nướng, thiết bị điện, dây điện, chip máy tính, đồ trang sức… Nhu cầu đối với các sản phẩm kim loại vẫn đang ngày càng tăng. Vì thế, điều quan trọng đặt ra là phải thúc đẩy các phương pháp tái chế chất thải kim loại bền vững và thân thiện với môi trường, giúp giảm tác động môi trường của việc sử dụng kim loại trong nền kinh tế.

Thông thường, các phương pháp tái chế chất thải kim loại tiêu tốn nhiều năng lượng, một số phương pháp tạo ra các chất phụ có hại cho môi trường, như khí amoniac và metan trong quá trình tái chế nhôm.

Để giải quyết thách thức này, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học NUS đã trình diễn một kỹ thuật thân thiện với môi trường mới để chuyển chất thải nhôm và magiê thành các loại khí có giá trị cao, đa chức năng. Phương pháp chiết xuất này có thể được áp dụng cho tất cả các loại chất thải kim loại như chip kim loại và chất thải điện tử.

PGS Dương Minh Hải cho biết: “So với các phương pháp tái chế thông thường đối với chất thải kim loại, cách tiếp cận của chúng tôi rẻ hơn, không tạo ra bất kỳ chất thải nguy hại nào, tiêu thụ ít năng lượng hơn và thân thiện với môi trường hơn”.

“Các aerogel dựa trên kim loại được tạo ra bằng kỹ thuật chế tạo độc đáo của chúng tôi có độ ổn định nhiệt và cơ học cao. Do đó, chúng là ứng cử viên đầy hứa hẹn cho khả năng cách nhiệt và cách âm trong môi trường khắc nghiệt với nhiệt độ cao hoặc tác động cơ học cao. Chúng tôi cũng đang khám phá những ứng dụng mới cho các loại aerogel này, như các ứng dụng y sinh”, trưởng nhóm nghiên cứu Dương Minh Hải, thuộc Khoa Cơ khí, Đại học NUS, giải thích.

Bước đột phá công nghệ mới nhất này của PGS Hải và nhóm của ông được phát triển trên cơ sở những thành công trước đó trong việc biến các loại chất thải khác nhau như nhựa, vải sợi, giấy, lá dứa và các loại thực phẩm và chất thải nông nghiệp khác thành aerogel.

Aerogel từ kim loại được chế tạo đơn giản, chi phí thấp

Nhóm NUS đã phát triển một quy trình chế tạo đơn giản để tạo ra các aerogel dựa trên kim loại.

Đầu tiên, rác thải kim loại được nghiền thành bột và trộn với các chất liên kết hóa học. Hỗn hợp được làm nóng trong lò, đông lạnh và sau đó đông khô để tạo aerogel.

Quá trình này có thể thay đổi một chút tùy thuộc vào chất thải kim loại có liên quan. Trung bình, mất khoảng một đến ba ngày để biến chất thải kim loại dạng bột thành aerogel, trong khi sử dụng các phương pháp sản xuất aerogel thông thường phải mất từ ba đến bảy ngày.

Quá trình đơn giản, cũng có nghĩa là các aerogel dựa trên kim loại có thể được sản xuất với chi phí thấp hơn nhiều. Sử dụng kỹ thuật do nhóm NUS phát triển, một miếng aerogel làm từ kim loại có kích thước 1 m2 và dày 1 cm chi phí sản xuất chưa đến 10,5 đô la Singapore (SGD), chỉ bằng một nửa giá của aerogel silica bán trên thị trường.

Các aerogel làm từ kim loại này có độ ổn định nhiệt và cơ học cao, và chúng có thể được sử dụng làm vật liệu xây dựng trọng lượng nhẹ và phát triển tế bào cho mục đích y sinh.

Aerogel trở thành vật liệu xây dựng đa năng cực nhẹ

Aerogel có khả năng hấp thụ cao, cực kỳ nhẹ và có khả năng cách nhiệt, cách âm rất tốt. Trong công trình trước đó, PGS Hải và nhóm của anh đã chỉ ra các đặc tính của aerogel có thể thay đổi bằng cách phủ hóa chất lên, thí dụ chúng có thể chống thấm nước hoặc chống cháy.

Trong nghiên cứu mới nhất, nhóm các kỹ sư của NUS đã xác định được các ứng dụng thú vị mới cho aerogel dựa trên kim loại. Một ứng dụng đầy hứa hẹn là sử dụng làm vật liệu xây dựng nhẹ.

“Tấm aerogel nhôm của chúng tôi nhẹ hơn 30 lần và cách nhiệt tốt hơn 21 lần so với bê tông thông thường. Khi sợi quang học được thêm vào trong giai đoạn trộn, chúng ta có thể tạo ra các sợi nhôm mờ, làm vật liệu xây dựng, có thể cải thiện ánh sáng tự nhiên, giảm tiêu thụ năng lượng cho việc chiếu sáng và có thể phát sáng ở các khu vực tối hoặc không có cửa sổ. Bê tông mờ cũng có thể được sử dụng để xây dựng vỉa hè và gờ giảm tốc phát sáng vào ban đêm nhằm nâng cao an toàn cho người đi bộ và giao thông đường bộ”, PGS Hải cho biết.

Các tấm aerogel nhôm mờ do nhóm NUS tạo ra nhẹ hơn sáu lần, cách nhiệt tốt hơn sáu lần và rẻ hơn 120 lần so với bê tông mờ thương mại (LiTraCon).

Khi được phủ một lớp hóa chất methyltriethoxysilane (MTEOS), aerogel từ nhôm không dính nước và trở thành vật liệu xây dựng tự làm sạch cho phép dễ dàng rửa trôi bụi bẩn hoặc mảnh vụn khi tiếp xúc với nước.

Các aerogel làm từ kim loại cũng thích hợp làm ván chống cháy, vật liệu cách nhiệt trong các tòa nhà và hệ thống đường ống, để hấp thụ các chất gây ô nhiễm trong không khí cho môi trường trong nhà và làm sạch dầu tràn.

Lần đầu tiên nuôi cấy tế bào từ aerogel

Nhóm các nhà khoa học NUS cũng đang xem xét việc sử dụng aerogel cho các ứng dụng y sinh.

“Chúng tôi hiện đang làm việc với một đối tác thương mại để thử nghiệm aerogel từ nhôm làm chất mang vi mô để nuôi cấy tế bào. Chất mang vi mô là những hạt có kích thước siêu nhỏ để tế bào neo đậu và phát triển. Những thử nghiệm đầu tiên của chúng tôi được thực hiện trên tế bào gốc, sử dụng một dòng tế bào thường được sử dụng để thử nghiệm thuốc cũng như mỹ phẩm và kết quả rất đáng khích lệ”, PGS Hải giải thích.

Phần nghiên cứu này của PGS Dương Minh Hải nhận được sự hỗ trợ của một nhà khoa học gốc Việt khác tại NUS – Giáo sư Phan Toàn Thắng. Ông chính là người đầu tiên trên thế giới tìm ra công nghệ tách tế bào gốc từ cuống dây rốn.

Để được sử dụng làm chất mang vi mô, aerogel từ nhôm được nghiền thành bột và thêm vào hỗn hợp tế bào, chất dinh dưỡng, kháng sinh và chất bổ sung tăng trưởng. Các tế bào được nuôi cấy ở nhiệt độ 37 độ C trong tủ ấm trong 12 ngày. Các chất mang vi mô sau đó được loại bỏ và các tế bào được thu hoạch cho các mục đích sử dụng khác nhau.

“Sau 12 ngày ủ, thí nghiệm của chúng tôi thu được năng suất 70%. Đây là lần đầu tiên thử nghiệm thành công phát triển tế bào bằng cách sử dụng aerogel”, PGS Hải nói.

“Chúng tôi cần tiến hành nhiều nghiên cứu hơn nữa để tối ưu hóa các điều kiện nuôi cấy và giải quyết các yêu cầu về tính tương thích sinh học. Đây là một bước phát triển thú vị có thể mở ra cánh cửa cho việc sử dụng rộng rãi hơn aerogel cho các ứng dụng phi thông thường như thử nghiệm thuốc và mỹ phẩm, phát triển vaccine và kỹ thuật mô”, anh Hải cho biết.

Vào ngày 22-2 vừa qua, nhóm các nhà khoa học NUS đã công bố công trình sử dụng chất thải nhôm tạo ra aerogel trên Tạp chí Chu trình Vật liệu và Quản lý Chất thải. PGS Hải và nhóm của anh cũng đang thảo luận với các đối tác trong ngành để thương mại hóa công nghệ chế tạo aerogel từ kim loại.

Trong giai đoạn tiếp theo của nghiên cứu, các nhà khoa học cũng đang xem xét việc phát triển các aerogel dựa trên kim loại cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chịu nhiệt độ cực cao trong các ứng dụng quân sự.