Biochar Từ Gỗ Đạt Độ Cứng Tương Đương Thép Mềm, Mở Ra Kỷ Nguyên Vật Liệu Carbon Bền Vững

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Toronto đã đạt được một bước đột phá quan trọng trong lĩnh vực khoa học vật liệu, chứng minh rằng biochar, vật liệu carbon chế tạo từ sinh khối gỗ, có thể đạt được các đặc tính cơ học tiệm cận với thép cacbon thấp. Công trình này, được công bố trên tạp chí Biochar X vào ngày 21 tháng 10 năm 2025, định vị lại biochar từ vai trò cải tạo môi trường truyền thống sang một thành phần cấu trúc đầy tiềm năng cho các ứng dụng kỹ thuật.

Dưới sự dẫn dắt của Giáo sư Charles Q. Jia tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Xanh, nhóm nghiên cứu đã tiến hành phân tích sâu rộng trên biochar được tạo ra từ bảy loại gỗ khác nhau, bao gồm phong, thông, tre và gỗ lim châu Phi. Quá trình xử lý nhiệt phân không oxy được kiểm soát trong dải nhiệt độ từ 600 đến 1.000 độ C. Kết quả định lượng cho thấy biochar từ gỗ lim châu Phi đạt độ cứng trục (axial hardness) ấn tượng lên tới 2.25 gigapascal, một con số có thể so sánh trực tiếp với thép cacbon thấp. Phát hiện này cung cấp khung lý thuyết định lượng đầu tiên để thiết kế biochar nguyên khối với hành vi cơ học có thể dự đoán được, một yếu tố cần thiết cho việc ứng dụng công nghiệp.

Một trong những khám phá tinh tế nhất là hiện tượng dị hướng (anisotropy) cực đoan được quan sát thấy trong mẫu gỗ hemlock, nơi độ cứng trục vượt trội hơn độ cứng ngang tới 28.5 lần. Các nhà khoa học, bao gồm Qinyi Wang, Yating Ji, Mohana M. Sridharan, Lizhong Lang, Yu Zou, và Donald W. Kirk, xác định rằng sự khác biệt định hướng mạnh mẽ này không phải do bản chất của carbon mà là hệ quả trực tiếp từ mạng lưới lỗ xốp có cấu trúc phân cấp vốn có của gỗ. Ở cấp độ nano, độ cứng của tất cả các mẫu lại đồng nhất, cho thấy các đặc tính cốt lõi của thành tế bào gỗ được bảo tồn nguyên vẹn.

Giáo sư Jia nhấn mạnh rằng biochar hiện được xem là một vật liệu kết cấu, mở ra tiềm năng cho các điện cực cường độ cao, vật liệu composite siêu nhẹ, và các bộ lọc định hướng dòng chảy. Sự tương đồng với thép mang lại một tiêu chuẩn tham chiếu hữu hình ngay lập tức cho các kỹ sư. Nghiên cứu cũng chỉ ra mối liên hệ mật thiết giữa độ cứng biochar, mật độ khối và hàm lượng carbon; vật liệu càng đặc và hàm lượng carbon càng cao thì khả năng chống biến dạng càng tốt. Việc điều chỉnh nguyên liệu đầu vào và điều kiện nhiệt phân cho phép tinh chỉnh hiệu suất vật liệu theo nhu cầu ứng dụng cụ thể, minh chứng cho khả năng phi thường của các vật liệu tưởng chừng đơn giản khi tập trung vào cấu trúc nền tảng.