Tôm hùm sống ở khu vực nước sâu, nên kết cấu vỏ tôm hùm phải chịu áp lực rất lớn từ khối nước biển. Vỏ tôm được cấu tạo bởi hàng trăm lớp giống như vật liệu composite, liên kết bằng cách xếp so le với nhau theo một góc nhất định. Cách sắp xếp này tạo nên cấu trúc xoắn ốc giúp vỏ tôm bền chắc dưới tác dụng của lực nén trên bề mặt.
Áp dụng theo kết cấu này, từ năm 2018 đến nay, TS Trần Phương và nhóm nghiên cứu vật liệu in 3D thông minh tại Đại học RMIT (Melbourne, Australia) phát triển loại bê tông in 3D, với những ưu điểm vượt trội hơn so với loại truyền thống.
Bê tông tạo ra bằng công nghệ in 3D có cấu trúc nhẹ và khỏe. Khác với in song song truyền thống, các lớp bê tông được in theo hướng khác nhau, đặc biệt là thiết kế xoáy (mô phỏng theo cấu trúc vi mô của vỏ tôm hùm). Thiết kế này giúp các lớp vật liệu được bố trí so le một góc 10-45 độ theo vòng xoáy kiểu trôn ốc. Cấu trúc này giúp giảm thiểu khả năng nứt vỡ của bê tông khi chịu tác động của lực uốn, tăng khả năng chống chịu lực.
Các lớp bê tông được in so le với nhau một góc 10-45 độ. Ảnh: NVCC.
TS Phương cho biết, từ mô hình in được thiết kế trên máy tính, để tạo ra các lớp bê tông in, nhóm nghiên cứu sử dụng cánh tay robot. Thiết bị này được lập trình để di chuyển theo quỹ đạo định trước. Trong quá trình in, máy soi X-quang được vận hành tích hợp để tìm hiểu cấu trúc vi mô, quan sát vị trí các sợi thép trong mẫu in, và phát hiện các vết nứt hoặc lỗ rỗng vật liệu.
Các thành phần, nhiệt độ và độ ẩm ảnh hưởng đến chất lượng vật liệu in bê tông. Bê tông sau khi trộn có độ nhớt nhất định và thời gian chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn trong vòng 20-30 phút. "Hỗn hợp trộn bê tông quá lỏng hoặc quá rắn có thể khiến các lớp in bị biến dạng, ảnh hưởng tới tính ổn định của cấu trúc", TS Phương nói và cho biết, nhóm nghiên cứu thử nghiệm nhiều mẫu trộn khác nhau để tìm ra phương pháp tối ưu.
Cụ thể, ngoài các thành phần trộn bê tông thông thường, nhóm nghiên cứu kết hợp thêm những sợi thép có kích thước như sợi tóc vào các lớp bê tông. Tuy thành phần sợi thép chưa chiếm tới 2% trọng lượng bê tông, nhưng làm vật liệu bền chắc hơn và hạn chế xuất hiện lỗ rỗng trong kết cấu khi in kích thước lớn.
Các sợi kim loại dài khoảng 6 milimet nằm ngẫu nhiên theo các hướng khác nhau. Khi được in ra, những sợi kim loại xếp thẳng theo hướng in, giúp bê tông được gia cố, tăng khả năng chống chịu lực theo nhiều phương. "Hiệu quả này khó có thể đạt được bằng phương pháp sản xuất bê tông thông thường", TS Phương nói.
Nhờ vậy, bê tông được tạo ra bằng phương pháp in 3D và dựa theo kết cấu vi mô của vỏ tôm hùm có thể áp dụng trong kiến trúc yêu cầu độ phức tạp cao, không cần sử dụng khuôn ván, tiết kiệm thời gian, vật liệu thi công và chi phí xây dựng.
TS Phương cho biết, trong tương lai, nhóm nghiên cứu dự định phát triển công nghệ này để xây các căn hộ giá thành rẻ ở Australia. Ngoài ra, nhóm đang trong quá trình nghiên cứu các loại vật liệu kết cấu thông minh như bê tông siêu nhẹ, thân thiên với môi trường, hoặc bê tông có thành phần tái chế từ nhựa, cao su hay sợi thủy tinh.