Tạo vật liệu mới thay thế PFAS an toàn

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Northwestern, do giáo sư hóa học Nguyễn Sơn Bình dẫn dắt, đã phát triển được một loại vật liệu mới có khả năng chống nước và dầu, có tiềm năng thay thế an toàn các chất PFAS và nhựa độc hại trong bao bì thực phẩm.

Giáo sư Northwestern Nguyễn Sơn Bình (trái) và Timothy Wei hợp tác để tạo ra một vật liệu mới có thể chống nước và dầu.

Các hợp chất Per polyfluoroalkyl (PFAS), là nhóm hóa chất do con người tạo ra với với khoảng 3.000 loại khác nhau đang là một mối lo ngại toàn cầu về nguy cơ rủi ro cho môi trường và sức khỏe con người. PFAS được sử dụng trong nhiều loại sản phẩm tiêu dùng và công nghiệp bởi các đặc tính độc đáo của chúng. Các liên kết carbon-fluorine vô cùng mạnh ở PFAS trở thành thách thức với các phương pháp xử lý truyền thống, dẫn đến việc nó tồn tại bền bỉ trong môi trường và gây ra những mỗi lo ngại về tích tụ sinh học. PFAS có khả năng chống thấm, chịu nhiệt và dầu mỡ một cách đáng kể nên chúng khiến cho các chảo rán trở nên không dính và giữ cho các áo khoác của chúng ta không bị ngấm nước mưa. Vô số mỹ phẩm, bọt chống cháy, nồi niêu xoong chảo, lớp phủ kim loại, bao bì đóng gói, vải chống cháy và nhiều vật liệu khác đều sử dụng loại “hóa chất vĩnh viễn” này.

Vấn đề ở đây là vì chúng không bị phân hủy theo thời gian và có thể tích tụ trong môi trường và cơ thể chúng ta. Những nghiên cứu liên tiếp được công bố trong thời gian vài năm gần đây cho thấy, các hóa chất này vô cùng độc hại, có liên quan đến sự phát triển của các vấn đề và điều kiện sức khỏe từ ung thư đến ức chế hệ thống miễn dịch, ví dụ các nhà nghiên cứu Mount Sinai đã khám phá ra mối liên hệ giữa PFAS và nguy cơ ngày một gia tăng của ung thư tuyến giáp.

Những quy định chặt chẽ hơn về nguyên liệu của bao bì đóng gói đang được đặt ra để giới hạn việc sử dụng PFAS bên cạnh nhựa. Tuy nhiên, những áp lực này vẫn chưa đủ mạnh bởi chưa có giải pháp nào hợp lý hơn về mặt kinh tế. Hiện tại đã có một số giải pháp thay thế có nguồn gốc sinh học, nhưng chi phí cao của chúng khiến chúng không khả thi về mặt thương mại.

Việc tìm được một vật liệu có đủ khả năng thay thế PFAS là một mục tiêu khao khát của các phòng thí nghiệm hóa học ở cả lĩnh vực công và tư. Một trong những nơi đó là phòng thí nghiệm của Nguyễn Sơn Bình, giáo sư McCormick về giảng dạy xuất sắc thuộc trường Nghệ thuật và Khoa học Weinberg ở ĐH Northwestern. “Các dự án nghiên cứu do ông thực hiện chủ yếu tập trung vào hóa học vô cơ/hóa học hữu cơ kim loại, tổng hợp hữu cơ và khoa học polymer, đồng thời ông cũng quan tâm đến các chất xúc tác thân thiện với môi trường và vật liệu sinh học”, theo thông tin của TS. Bùi Hùng Thắng, một nhà nghiên cứu Việt Nam may mắn từng cộng tác với ông thông qua tiểu hợp phần 1a của dự án FIRST “Tài trợ cho chuyên gia giỏi nước ngoài về KH, CN và Đổi mới sáng tạo - FIRST” vào tháng 10/2017.

Không phải bây giờ ông và Timothy Wei, một cộng sự trong phòng thí nghiệm của ông, mới quan tâm đến PFAS. Là một nhà hóa học, ông hiểu PFAS với các liên kết carbon-fluorine bền bỉ khiến nhóm chất này tồn tại một cách lâu dài và trở nên độc hại với con người và các hệ sinh thái. Vì vậy, ông luôn mang trong đầu câu hỏi “làm cách nào để thay thế PFAS bằng một hóa chất mới không độc hại, không làm phát sinh vấn đề môi trường mới”?

Thật thú vị là giải pháp tiềm năng cho vấn đề mang tính toàn cầu này lại bắt rễ từ kinh nghiệm tích lũy hàng thập kỷ nghiên cứu của ông và cộng sự cũng như việc mở rộng hợp tác liên ngành. Nhóm nghiên cứu của giáo sư Nguyễn Sơn Bình tìm thấy ở ô xít graphene – nơi các phiến nguyên tử carbon có độ dày cỡ một nguyên tử bị oxy hóa - một ứng cử viên sáng giá bởi vật liệu này không độc hại, thân thiện với môi trường và giá cả hợp lý. Điểm hay là khi sử dụng ô xít graphene thay thế PFAS trong bao bì thực phẩm và đồ uống làm từ giấy, vật liệu này không chỉ thể hiện tính năng như người ta mong đợi mà còn làm tăng cường đáng kể độ bền tổng thể của bao bì. Thậm chí, sau khi sử dụng, bao bì chứa ô xít graphene có thể dễ dàng được ủ thành phân hữu cơ hoặc tái chế - mở ra một giải pháp thực sự bền vững với môi trường.

Giải pháp thú vị này không chỉ là nỗ lực của một mình nhóm Nguyễn Sơn Bình, nơi am hiểu sâu sắc đặc tính ôxit graphene, mà còn từ một hợp tác liên ngành với Timothy Wei, giáo sư thỉnh giảng về kỹ thuật cơ khí tại Trường Kỹ thuật McCormick của ĐH Northwestern và có chuyên môn sâu về ngành công nghiệp thực phẩm và sản xuất tiên tiến. Cùng làm việc với nhau, họ đã phát triển một quy trình mới khai thác các đặc tính độc đáo của oxit graphene để tăng cường các đặc tính của các sản phẩm giấy và bìa cứng làm bao bì đóng gói. “Đây không chỉ là một cải tiến về vật liệu; mà là một giải pháp sẵn sàng cho thị trường”, Timothy Wei cho biết trong một thông cáo báo chí của ĐH Northwestern. “Các ứng dụng từ đó có thể sẽ biến đổi toàn bộ ngành công nghiệp đóng gói thực phẩm”.

Sau khi phát triển quy trình, nhóm đã thử nghiệm vật liệu trên nhiều loại mẫu bao bì thực phẩm và đồ uống, bao gồm hộp các tông, túi đựng bằng nhựa và đồ dùng một lần như đĩa, cốc và ống hút. Kết quả thử nghiệm cho thấy, vật liệu mới giúp các bao bì đóng gói này chống nước, dầu và mỡ, tăng cường độ bền của chất nền là giấy.

Các đánh giá độc lập gần đây của bên thứ ba theo tiêu chuẩn công nghiệp đã cho thấy, vật liệu của Northwestern cải thiện đáng kể độ bền và khả năng chắn chắn so với các giải pháp thương mại hiện có.

Giờ thì một startup của Phòng thí nghiệm Querrey InQbation (The Q) thuộc ĐH Northwestern là GO-Eco đang sốt sắng đón nhận giải pháp này để thương mại hóa sản phẩm và chờ việc cấp bằng độc quyền sáng chế. Sự sốt sắng là có lý do bởi theo phân tích từ nhiều nguồn dữ liệu, GO-Eco đã ước tính chỉ tiêng Mỹ đã mỗi năm đã sản xuất đến 14 triệu tấn bao bì đóng gói thực phẩm và bìa cứng, tạo ra doanh số 60 tỉ USD/năm.

Với nguồn tài trợ gần đây từ một nhà sản xuất đồ dùng trên bàn ăn lớn của quốc gia và sự tham gia tích cực của nhiều đối tác trong ngành, GO-Eco đã nâng cao quá trình thử nghiệm sản phẩm từ giai đoạn phòng thí nghiệm tại The Q đến các đợt đánh giá toàn diện theo tiêu chuẩn công nghiệp tại Nhà máy thí điểm sản xuất giấy của Đại học Western Michigan. Các thử nghiệm này đã xác nhận rằng việc sử dụng một lượng ô xít graphene làm tăng hiệu suất của giấy từ 30% đến 50% so với vật liệu khác trong khi chi phí vẫn tương đương.

Hiện tại, thông qua thỏa thuận cấp phép độc quyền với Northwestern và sự hỗ trợ từ The Q, GO-Eco đang chuyển đổi công nghệ mới này thành sản phẩm thương mại hóa. Họ đang thảo luận về sản xuất và thử nghiệm thí điểm với một số công ty sản xuất, sau đó sẽ tính đến mở rộng quy mô sản xuất, nộp hồ sơ xin FDA cấp phép sử dụng trên các loại thực phẩm và xin chứng nhận về khả năng tái chế và khả năng phân hủy của giấy chứa ô xít graphene.

Theo ĐH Northwestern

Bài đăng KH&PT số 1347 (số 23/2025).

Khoahocphattrien