TS Thái Bá Quốc đang làm việc tại Viện Nghiên cứu Temasek (Singapore). Khi còn là sinh viên Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG TP HCM, Quốc quan tâm vật liệu aerogel vì nó có nhiều tính năng ưu việt như siêu nhẹ, độ dẫn nhiệt thấp, hệ số hấp thụ âm thanh cao. Tuy nhiên, do giá thành cao (60-200 USD/m2) và độ bền cơ học kém nên vật liệu ít được ứng dụng vào thực tế. Quốc suy nghĩ, nếu tìm ra phương pháp khác làm vật liệu aerogel từ phế thải có thể giảm giá thành.
Năm 2019, có cơ hội tham gia nghiên cứu tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí, Đại học Quốc gia Singapore và sau đó là Viện Nghiên cứu Temasek, TS Quốc tiếp tục theo đuổi hướng nghiên cứu này. Trên thực tế có nhiều nghiên cứu tận dụng phế thải nông nghiệp như rơm, bã mía, lá dứa, rác thải làm vật liệu siêu nhẹ nhưng lốp xe thải bỏ vẫn là mảng trống, Quốc bắt tay tái chế làm aerogel.
Một số tấm aerogel được nhóm nghiên cứu chế tạo từ lốp xe. Ảnh: Nhóm nghiên cứu
Nghiên cứu của TS Quốc và cộng sự sử dụng các sợi gia cường (chiếm 5-10%) trong lốp xe cũ để làm thành phần chính cho aerogel. Loại sợi này chủ yếu là các nylon và polyester cấu thành nên có độ bền cơ học cao. Sợi sau đó được xử lý để loại bỏ tạp chất và nghiền nhỏ, có kích thước khoảng 10-30 micromet.
Có kinh nghiệm tổng hợp aerogel trước đó, TS Quốc cho biết rằng công đoạn chọn chất kết dính và quy trình sấy là hai yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của aerogel như độ biến dạng, kích thước và sự phân bố lỗ trống.
Anh cho biết, việc dùng đúng chất kết dính và có một quy trình sấy tối ưu giúp tạo kích thước nano cho các lỗ trống bên trong aerogel, như vậy đảm bảo tính chất siêu cách nhiệt và hấp thụ âm thanh.
Nhóm nghiên cứu không sử dụng dung môi hữu cơ mà chỉ dùng nước và công nghệ xử lý. Phương pháp sấy đông khô (làm lạnh đột ngột và sấy ở áp suất chân không) trong khoảng thời gian từ 10-15 giờ được áp dụng. Cách làm này đơn giản và thân thiện với môi trường, giúp cấu trúc aerogel không bị phá vỡ hay biến dạng sau khi sấy.
Trong quá trình xử lý vật liệu, nhóm phát hiện, nếu muốn tăng khả năng hấp thụ âm thanh thì có thể điều chỉnh nồng độ sợi trong khoảng 5%, giảm nồng độ chất kết dính dưới 1%. Kết luận này được nhóm đưa ra sau gần 4 tháng thử nghiệm để tìm ra nồng độ thích hợp cho sợi, chất kết dính và quy trình sấy tối ưu.
Aerogel được tạo ra từ quy trình sấy này có hình thái đa dạng, khối lượng trong khoảng 25-100 kg/m3 tùy vào nồng độ chất kết dính và sợi (tương đương khối lượng của xốp).
Thực hiện những bài kiểm tra cho kết quả vật liệu này có khả năng cách nhiệt, cách âm cao. "Nếu vật liệu này được sử dụng cho một số động cơ máy bay, quá trình tiếp đất và hạ cánh có thể không nghe thấy tiếng ồn", TS Quốc nói. Loại aerogel này có thể sử dụng trong may mặc để làm áo cách nhiệt hoặc phòng hạn chế hấp thụ âm thanh trong xây dựng.
Aerogel được nhóm tạo ra linh hoạt về tính cơ học và siêu nhẹ. Ảnh: Nhóm nghiên cứu
Với 500 gram sợi gia cường có thể làm được tấm aerogel kích thước 1 m2. TS Quốc cho biết, sản phẩm của nhóm có giá khoảng 10 USD/m2 do tận dụng được sợi lốp xe, trong khi các vật liệu cùng chức năng có giá dao động từ 40-200 USD/m2. Đặc biệt, sợi lốp xe là các sợi hữu cơ, không độc hại như sợi vô cơ ở sản phẩm cách nhiệt và âm thanh khác, có thể ảnh hưởng đến phổi nếu làm việc và tiếp xúc nhiều.
Vật liệu của nhóm đã được cấp bằng sáng chế quốc tế cuối năm 2019 và đang chuyển giao cho một doanh nghiệp Việt Nam để mở rộng quy mô sản xuất, góp phần giải quyết bài toán rác thải lốp xe trong nước.
Mỗi năm có một tỷ lốp xe phế liệu được thải ra trên thế giới. Với đặc tính bền lâu và không phân hủy, chỉ 40% được tái sử dụng thành các sản phẩm giá trị gia tăng thấp, trong khi 49% được đốt ra khói để tạo ra năng lượng và ít nhất 11% bị chôn lấp có nguy cơ nước rỉ rác gây ra ô nhiễm môi trường.
Là người có hơn 40 năm nghiên cứu vật liệu, GS.TS Nguyễn Năng Định, Khoa Vật lý Kỹ thuật và Công nghệ Nano, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đánh giá đây là "hướng nghiên cứu đáng khích lệ". Ông cho biết hiện chưa có cách xử lý để tái chế loại rác thải (sợi gia cường) thành vật liệu ứng dụng.
GS Định cũng gợi ý, nhóm nghiên cứu có thể tính toán thêm phần năng lượng tiêu hao trong quá trình chế tạo để có thể giảm bớt chi phí khi chuyển giao trong nước.