Mặc dù công nghệ in 3D nhà ở đã giúp rút ngắn đáng kể thời gian xây dựng, bê tông thông thường vẫn cần tới 28 ngày để đạt cường độ chịu lực cần thiết. Nguyên nhân nằm ở quá trình đóng rắn chậm của xi măng, thành phần liên kết chính trong bê tông. Không chỉ vậy, việc sản xuất xi măng Portland còn tiêu tốn nhiều năng lượng và phát thải lượng lớn khí carbon dioxide trong cả quá trình nung nguyên liệu và phản ứng hóa học khi đá vôi bị phân hủy.

Xuất phát từ những hạn chế đó, nhóm nghiên cứu tại Đại học Bang Oregon đã phối hợp với các đối tác trong chuỗi vật liệu sinh học để phát triển một giải pháp thay thế phù hợp cho in 3D. Vật liệu mới được cấu thành chủ yếu từ đất sét, cát, sợi gai dầu và biochar – một dạng than sinh học thu được từ quá trình nhiệt phân các vật liệu hữu cơ như dăm gỗ trong điều kiện không có oxy.

Điểm khác biệt cốt lõi của vật liệu này nằm ở chất kết dính. Thay vì sử dụng xi măng Portland, nhóm nghiên cứu áp dụng một chất kết dính gốc acrylamide được kích hoạt bằng nhiệt. Khi hỗn hợp được đùn ra khỏi đầu in 3D, phản ứng trùng hợp dạng “mặt trước” (frontal polymerization) diễn ra ngay lập tức, khởi động quá trình đóng rắn và tạo độ bền ban đầu rất nhanh.

Nhờ cơ chế này, vật liệu đạt cường độ xây dựng khoảng 3 megapascal ngay sau khi in, cho phép thi công các bức tường nhiều lớp và các cấu trúc nhô ra mà không cần hệ chống đỡ tạm thời, chẳng hạn như phần trên của cửa sổ hay mái. Sau ba ngày, cường độ chịu nén vượt mức 17 megapascal – ngưỡng yêu cầu đối với bê tông kết cấu nhà ở – nhanh hơn rất nhiều so với bê tông truyền thống. Sau khoảng 8–10 ngày, vật liệu đạt cường độ trên 40 megapascal khi đóng rắn hoàn toàn.

Các nhà nghiên cứu cho biết việc sử dụng đất sét, sợi gai dầu và biochar không chỉ giúp giảm phát thải carbon so với xi măng Portland mà còn tận dụng các nguồn tài nguyên sinh học có khả năng tái tạo. Điều này đặc biệt phù hợp với định hướng phát triển các vật liệu xây dựng bền vững, thân thiện môi trường và tương thích với công nghệ in 3D.

Hiện tại, thách thức lớn nhất của vật liệu mới là chi phí, do các thành phần và quy trình chế tạo vẫn đắt hơn so với bê tông truyền thống. Nhóm nghiên cứu đang tiếp tục làm việc với các đối tác trong lĩnh vực vật liệu và xây dựng để tối ưu công thức, giảm giá thành và đánh giá khả năng mở rộng quy mô sản xuất.

Tổng thể, nghiên cứu này cho thấy hiệu quả rõ rệt của hợp tác nghiên cứu liên khối giữa cơ sở đào tạo – nghiên cứu và lĩnh vực vật liệu sinh học, khi Đại học Bang Oregon kết hợp với các đối tác ngoài học thuật để phát triển một giải pháp xây dựng mới. Chính sự hợp tác này đã mở ra tiềm năng thay đổi cách thức thi công nhà ở bằng in 3D, đồng thời góp phần giảm tác động môi trường của ngành xây dựng trong tương lai.