Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế từ Đại học Rochester và Đại học Công nghệ Delft ở Hà Lan đã sử dụng máy in 3D và một kỹ thuật in sinh học mới để in tảo thành các vật liệu quang hợp, sống và dẻo dai. Những hợp chất này có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực năng lượng, y tế và thời trang. Theo thông tin nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Function Materials .
"In ba chiều là một công nghệ mạnh mẽ để chế tạo các vật liệu chức năng sống sở hữu tiềm năng to lớn trong các ứng dụng dựa trên môi trường và con người", Srikkanth Balasubramanian, một cộng sự nghiên cứu sau tiến sĩ tại Delft và là tác giả đầu tiên của bài báo cho biết. "Chúng tôi đã cung cấp ví dụ đầu tiên về một vật liệu quang hợp với thiết kế vật lý đủ mạnh để triển khai trong các ứng dụng thực tế".
Một lớp màng vi khuẩn cellulose được lấy ra từ môi trường nuôi cây.
Cách xây dựng bài toán mới: sinh vật sống và vô sinh vật
Để tạo ra các vật liệu quang hợp, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu với vi sinh vật cellulose - một hợp chất hữu cơ được sản xuất và bài tiết bởi vi khuẩn. Loại vi khuẩn có nhiều đặc tính cơ học độc đáo, bao gồm tính linh hoạt, độ dẻo dai, sức mạnh và khả năng giữ nguyên hình dạng, ngay cả khi bị xoắn, bị nghiền nát hoặc bị biến dạng vật lý.
Vi khuẩn cellulose được ví giống như là giấy trong một máy in và vi tảo sống đóng vai trò như mực in. Từ đó, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một máy in 3D để đặt tảo sống lên các tế bào vi khuẩn cellulose trên.
Sự kết hợp giữa các thành phần sống (vi tảo) và vô sinh vật (cellulose vi khuẩn) đã tạo ra một vật liệu độc đáo có chất lượng quang hợp cao của tảo và độ bền của vi khuẩn cellulose; sở hữu cả hai tính cứng và đàn hồi linh hoạt, đồng thời thân thiện với môi trường, có khả năng phân hủy sinh học, đơn giản và có thể mở rộng để sản xuất.
Với tính chất như một thực vật thực thụ, vật liệu này có thể sử dụng quá trình quang hợp để tự "nuôi" mình trong khoảng thời gian nhiều tuần và nó cũng có thể được tái sinh - một mẫu nhỏ vật liệu có thể được trồng tại chỗ để tạo ra nhiều vật liệu khác.
Lá nhân tạo, da quang hợp và quần áo sinh học
Với các đặc tính độc đáo nổi bật so với nhiều vật liệu truyền thống khác, hợp chất mới này đã được lựa chọn để sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ các sản phẩm mới như lá nhân tạo, da quang hợp hay cả những bộ quần áo sinh học quang hợp.
Lá nhân tạo là vật liệu mô phỏng lá cây thật, chúng có thể sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển đổi nước và carbon dioxide - nguyên nhân chính gây ra biến đổi khí hậu - thành oxy và năng lượng, giống như lá cây trong quá trình quang hợp.
Lá cây dự trữ năng lượng ở dạng hóa học dưới dạng đường, và sau đó chuyển hóa thành nhiên liệu. Do đó, lá nhân tạo có thể là một phương pháp sản xuất năng lượng bền vững ở những nơi thực vật không phát triển tốt, bao gồm cả ngoài không gian chân không.
Ví dụ về lá sinh học.
Những mô hình lá nhân tạo do các nhà nghiên cứu tại Delft và Rochester sản xuất cũng được làm từ các vật liệu thân thiện với môi trường, trái ngược với hầu hết các công nghệ lá nhân tạo đang được sản xuất hiện nay bằng nhiều phương pháp hóa học độc hại.
"Đối với lá nhân tạo, vật liệu của chúng tôi giống như lấy "bộ phận tốt nhất" của thực vật - lá – phần có thể tạo ra năng lượng bền vững, mà không cần dùng đến những bộ phận khác của cây như thân và rễ", theo như chia sẻ từ phó Giáo sư sinh học tại Rochester, Anne S. Meyer. "Chúng tôi đang chế tạo một loại vật liệu chỉ tập trung vào việc sản xuất năng lượng bền vững", bà cũng cho biết thêm.
Một ứng dụng khác của hợp chất này là da quang hợp, một vật liệu có thể được sử dụng trong kỹ thuật cấy ghép da, bà Meyer nói. "Oxy được tạo ra sẽ bắt đầu giúp chữa lành các vùng da bị tổn thương, hoặc có thể chữa lành vết thương khi được kích hoạt bằng ánh sáng".
Bên cạnh việc cung cấp năng lượng bền vững và các phương pháp điều trị y tế, các vật liệu này cũng có thể tạo ra những thay đổi lớn trong lĩnh vực thời trang. Các sản phẩm may mặc sinh học làm từ tảo sẽ giải quyết một số tác động tiêu cực đến môi trường của ngành công nghiệp dệt may hiện nay khi đây là loại vải chất lượng cao được sản xuất bền vững và hoàn toàn có khả năng phân hủy sinh học.
Bên cạnh đó, chúng cũng sẽ được thiết kế để làm sạch không khí bằng cách loại bỏ carbon dioxide thông qua quá trình quang hợp và sẽ không cần phải giặt thường xuyên như các loại quần áo thông thường, giúp giảm lượng nước sử dụng một cách hiệu quả.
Marie-Eve Aubin-Tam, Phó giáo sư khoa học sinh học tại Viện Công nghệ Delft cho biết: “Vật liệu sống của chúng tôi sẽ có rất nhiều hứa hẹn vì chúng có thể tồn tại trong vài ngày mà không cần nước hoặc chất dinh dưỡng, và bản thân các vật liệu này cũng có thể được sử dụng làm hạt giống hay các chất xúc tác để phát triển các vật liệu sống mới. Điều này sẽ giúp mở ra cánh cửa mới cho các ứng dụng ở những vùng xa xôi, thậm chí trong không gian, nơi vật liệu có thể được gieo tại chỗ".