Các Nhà Nghiên Cứu Phát Triển Bao Bì Có Thể Phân Hủy Sinh Học, Từ Nguyên Liệu Thực Vật Từ Sợi Tự Nhiên Nghiên Cứu Mới

(MENAFN- The Conversation) Jie Wu, sinh viên tốt nghiệp kỹ thuật, đang nghiên cứu về một loại bọ cánh trắng nổi bật ở Đông Nam Á và cố gắng tìm cách bắt chước màu sắc rực rỡ của nó thì một khám phá bất ngờ đã làm gián đoạn thí nghiệm.

Jie và tôi đã hy vọng xác định các loại sắc tố làm trắng tự nhiên có thể được sử dụng trong giấy và sơn. Vỏ ngoài màu trắng của con bọ được làm từ hợp chất gọi là chitin, một loại carbohydrate – cũng thường thấy trong vỏ cua và tôm hùm.

Đầu tiên, Jie đã chiết xuất các sợi nano chitin từ vỏ cua lấy từ rác thải thực phẩm, có thành phần hóa học giống hệt các sợi trong con bọ trắng. Nhưng thay vì tạo ra một vật liệu trắng như dự định, Jie lại tạo ra các màng trong suốt, dày đặc. Các sợi nano dễ dàng tập hợp thành các màng chặt chẽ hơn là trong các cấu trúc xốp mà Jie mong muốn.

Ngẫu nhiên, Jie đã đo tốc độ oxy đi qua màng. Kết quả thật đáng kinh ngạc: lớp màng này cho phép ít oxy đi qua hơn nhiều loại nhựa đóng gói hiện có.

Phát hiện tình cờ này vào năm 2014 đã chuyển hướng tập trung của nhóm sinh viên kỹ thuật của tôi từ màu sắc sang đóng gói. Chúng tôi đặt câu hỏi liệu các vật liệu tự nhiên có thể cạnh tranh về hiệu suất với nhựa thông thường hay không. Trong những năm sau đó, nhóm của chúng tôi đã sử dụng khám phá này để tạo ra các màng phân hủy sinh học, cung cấp một giải pháp thay thế bền vững và hiệu quả hơn cho bao bì nhựa.

Thách thức của bao bì nhựa

Bao bì nhựa thường được sử dụng để bảo vệ thực phẩm, dược phẩm và các sản phẩm chăm sóc cá nhân. Những loại nhựa này ngăn chặn độ ẩm và oxy từ không khí, giúp sản phẩm giữ được độ tươi và an toàn.

Hầu hết các bao bì có nhiều lớp hoạt động cùng nhau để giữ khí khỏi lọt vào, nhưng các lớp này gây cản trở việc tái sử dụng và tái chế. Do đó, phần lớn các loại bao bì này bị vứt bỏ vào các bãi rác như vật liệu dùng một lần.

Nhiều nhà nghiên cứu đã tìm kiếm các giải pháp thay thế có thể tái tạo, phân hủy sinh học hoặc tái chế, nhưng vẫn hiệu quả như cũ. Tại Georgia Tech, nhóm của tôi gồm sinh viên và các nhà nghiên cứu sau tiến sĩ đã dành hơn một thập kỷ để giải quyết vấn đề này. Hành trình bắt đầu từ con bọ đó.

Xây dựng một lớp màng tốt hơn

Chitin phổ biến trong rác thải thực phẩm và nấm, và được sử dụng trong các sản phẩm như bộ lọc nước và băng vết thương. Tuy nhiên, những nỗ lực ban đầu của chúng tôi để mở rộng công nghệ màng dựa trên thí nghiệm lấy cảm hứng từ con bọ đã thất bại.

Năm 2018, nhóm đã tiến một bước quan trọng bằng cách sử dụng phương pháp phun phủ để tạo các lớp vật liệu nano chitin và cellulose. Cellulose, giống như chitin, là một polymer carbohydrate – chuỗi các đơn vị carbohydrate lặp lại – và được lấy từ thực vật. Những vật liệu tự nhiên phong phú này mang điện tích trái chiều, giúp cải thiện hiệu suất hàng rào khi kết hợp chúng hơn là dùng riêng lẻ.

Trong phương pháp này, nhóm phun một lớp chitin, sau đó là một lớp cellulose. Điện tích trái chiều giữa chitin và cellulose tạo ra lực hút dài hạn giữa chúng, liên kết các lớp lại với nhau để tạo thành một giao diện dày đặc.

Sau đó, hợp tác với Meisha Shofner, nhà khoa học vật liệu, và Tequila Harris, kỹ sư cơ khí, các sinh viên khác đã chứng minh rằng các lớp phủ này có thể được áp dụng bằng các kỹ thuật cuộn tròn quy mô lớn. Phương pháp phủ cuộn tròn được ưa chuộng trong ngành vì lớp phủ được áp liên tục trên các cuộn lớn của vật liệu nền như giấy hoặc nhựa phân hủy sinh học khác.

Tuy nhiên, độ ẩm vẫn là một thách thức lớn, hạn chế các ứng dụng thực tế. Độ ẩm làm phồng màng, cho phép oxy thấm qua nhiều hơn.

Rồi một bước đột phá khác đã đến. Năm 2024, cộng tác viên Natalie Stingelin và tôi phát hiện ra rằng hai thành phần thực phẩm phổ biến chống lại hơi nước khi kết hợp: carboxymethylcellulose – có trong kem, ví dụ – và axit citric.

Kết quả là một lớp màng cản trở truyền hơi ẩm. Axit citric phản ứng với cellulose tạo thành các liên kết chéo, là các liên kết hóa học gắn kết các phân tử cellulose lại với nhau. Khi đã liên kết, chúng giảm khả năng hấp thụ độ ẩm của màng.

Chúng tôi đã kết hợp khám phá mới này với công trình trước đó bằng cách kết hợp axit citric và cellulose, rồi đổ lớp hỗn hợp này thành một màng tự đứng bằng cách phủ lên một nền, chẳng hạn như chitin.

Tuy nhiên, công thức này không có khả năng chống oxy mạnh vì không chứa các vật liệu nano cellulose tinh thể cao từ màng đầu tiên của chúng tôi. Thành tựu gần đây nhất của nhóm tôi, vào tháng 10 năm 2025, kết hợp các đổi mới trên. Kết quả là, chúng tôi đã tạo ra một màng sinh học có khả năng chống oxy và độ ẩm rất tốt.

Mở rộng quy mô sản xuất

Khi đổ thành các lớp mỏng, các thành phần này tự tổ chức thành cấu trúc dày đặc, chống lại sự phồng lên do hơi nước. Các thử nghiệm cho thấy, ngay cả ở độ ẩm 80%, màng vẫn phù hợp hoặc vượt trội so với các loại nhựa đóng gói phổ biến.

Các vật liệu này có thể tái tạo, phân hủy sinh học và phân hủy trong môi trường. Nhóm của tôi đã nộp nhiều đơn xin bằng sáng chế, và chúng tôi đang hợp tác với các đối tác trong ngành để phát triển các ứng dụng đóng gói cụ thể.

Một thách thức là nguồn cung các thành phần sinh học này còn hạn chế so với lượng lớn nhựa truyền thống. Như bất kỳ vật liệu mới nào, sẽ mất thời gian để các nhà sản xuất xây dựng chuỗi cung ứng khi các màng bắt đầu được sử dụng rộng rãi.

Ví dụ, nhu cầu thị trường về chitin tinh khiết hiện còn nhỏ, vì nó chủ yếu dùng trong các ứng dụng đặc thù như băng vết thương và lọc nước. Tuy nhiên, do có nhiều ứng dụng, bao bì có thể thúc đẩy nhu cầu thị trường này tăng lên.

Thách thức tiếp theo là mở rộng từ các màng thử nghiệm thành sản xuất công nghiệp, điều này có thể mất vài năm. Nhóm của tôi đang khám phá các kỹ thuật phủ cuộn tròn và hợp tác với các đối tác trong ngành để tích hợp các vật liệu này vào dây chuyền đóng gói hiện có.

Chính sách và nhu cầu của người tiêu dùng cũng sẽ đóng vai trò. Khi các chính phủ thúc đẩy cấm dùng một lần và các công ty đặt mục tiêu bền vững, các màng sinh học có thể trở thành một phần của giải pháp.

Câu chuyện về bước đột phá này nhắc nhở tôi rằng khoa học thường tiến bộ qua những kết quả bất ngờ. Từ một nỗ lực thất bại trong việc bắt chước màu của con bọ đến một giải pháp thay thế tiềm năng cho nhựa, nghiên cứu này cho thấy sự tò mò có thể dẫn đến các giải pháp cho những thách thức lớn nhất của chúng ta.