Trong nền xây dựng hiện đại, chúng ta nỗ lực tạo ra những công trình kiên cố nhất có thể, nhưng thực tế phũ phàng là ngay cả những vật liệu tân tiến nhất cũng dần xuất hiện vết nứt, suy yếu và mục nát chỉ sau vài thập kỷ. Các đại lộ bê tông hay những tòa nhà chọc trời ngày nay liên tục đòi hỏi chi phí bảo trì khổng lồ để chống lại sự tàn phá của thiên nhiên.
Thế nhưng, bê tông của Đế chế La Mã cổ đại lại vận hành theo một quy luật hoàn toàn ngược đời: càng nhiều tuổi, chúng lại càng trở nên chắc chắn hơn.
Trải qua hơn hai thiên niên kỷ phong sương, rất nhiều công trình xây dựng cùng thời đã biến thành những đống đổ nát mù tạt, nhưng các di tích La Mã vẫn sừng sững tồn tại như một thách thức đối với thời gian. Bằng chứng rực rỡ nhất chính là đền Pantheon tại thủ đô Rome - một ngôi đền 2.000 năm tuổi được bao phủ bởi một mái vòm khổng lồ bằng bê tông không cốt thép, cho đến nay vẫn giữ kỷ lục là công trình bê tông không gia cố lớn nhất thế giới.
Từ lâu, giới khoa học vẫn tin rằng độ bền phi thường này phần lớn đến từ "phản ứng pozzolanic" - sự kết hợp hóa học đặc biệt giữa tro núi lửa (pozzolan) và vôi sống, tạo ra các khoáng chất có khả năng chống chịu va đập và ăn mòn vượt trội bên trong lòng bê tông.
Tuy nhiên, một công trình nghiên cứu mới công bố trên tạp chí khoa học uy tín Science Advances đã chỉ ra rằng, câu chuyện thần kỳ đó vẫn còn một nửa mảnh ghép vô cùng quan trọng, và nguồn gốc của phát hiện này lại đến từ một nơi ít ai ngờ tới nhất.
Để truy tìm bí mật ngàn năm, Giáo sư Paulo Monteiro thuộc Đại học California, Berkeley (Mỹ), cùng người đồng dẫn dắt nghiên cứu là Giáo sư Xiaohong Zhu từ Đại học Công nghệ Bắc Kinh và các đồng nghiệp đã không chọn các đền đài nguy nga hay đấu trường tráng lệ. Thay vào đó, họ tìm đến một địa điểm bình dị và ít hào nhoáng hơn rất nhiều: khu biệt thự cổ của Hoàng đế Hadrian tại Tivoli (Ý), được xây dựng từ thế kỷ thứ 2 CN.
Tại đây, nhóm nghiên cứu đã trích xuất một mẩu bê tông nhỏ từ một nhà vệ sinh chung cổ đại - nơi từng phục vụ nhu cầu sinh hoạt của giới hoàng gia và hầu cận thời bấy giờ. Bằng việc sử dụng hàng loạt kỹ thuật hiển vi chụp ảnh phân giải cao ở cấp độ nano, các nhà khoa học đã tiến hành soi xét cấu trúc vi mô của mẩu bê tông lịch sử này.
Đúng như dự đoán, họ tìm thấy vết tích rõ ràng của phản ứng pozzolanic truyền thống. Thế nhưng, ẩn sâu dưới kính hiển vi nano, một "vũ khí bí mật" thứ hai đã lộ diện: sự can thiệp kỳ diệu của khí carbon dioxide (CO2) từ khí quyển.
"Mặc dù phản ứng pozzolanic đóng vai trò cốt lõi, phát hiện của chúng tôi chỉ ra rằng quá trình carbonat hóa diễn ra trong một thời gian dài cũng giúp tăng cường độ bền cho bê tông, đồng thời hỗ trợ nó tự hàn kín các vết nứt khi tuổi đời ngày một tăng lên," Giáo sư Paulo Monteiro giải thích.
Theo phân tích của nhóm nghiên cứu, qua hàng thế kỷ tiếp xúc với môi trường, khí CO2 trong không khí đã từ từ thẩm thấu sâu vào bên trong các lỗ rỗng của bê tông. Tại đây, CO2 phản ứng chậm rãi nhưng đều đặn với lượng vôi sống dư thừa còn sót lại từ quá trình nhào trộn ban đầu, tạo thành calcite - một khoáng chất chính có trong đá vôi tự nhiên.
Điều đáng kinh ngạc là các tinh thể calcite này không hề làm phá hủy hay suy yếu cấu trúc vật liệu như hiện tượng hóa đá thông thường. Ngược lại, chúng âm thầm kết tinh ngay bên trong những lỗ rỗng và vết nứt siêu nhỏ vừa mới hình thành. Bằng cách lấp đầy các khoảng trống này, calcite làm cho bê tông ngày càng trở nên đặc hơn, kết dính chặt chẽ hơn và dần dần khóa chặt những điểm yếu cấu trúc trước khi chúng kịp lan rộng ra toàn bộ công trình.
Các nghiên cứu trước đây từng phát hiện sự xuất hiện của calcite trong bê tông La Mã, nhưng chưa từng dựng lại bản đồ kiến trúc ba chiều ở cấp độ nano để chứng minh vai trò chủ động của nó. Phát hiện mới này khẳng định calcite không phải là một sản phẩm phụ phế thải của quá trình lão hóa, mà là một cơ chế "tự phục hồi" song hành cùng phản ứng pozzolanic để kéo dài tuổi thọ công trình lên hàng ngàn năm.
Mặc dù giải mã được bí mật từ nhà vệ sinh của Hoàng đế Hadrian, các nhà khoa học cũng thẳng thắn thừa nhận rằng chúng ta không thể đơn giản bê nguyên xi công thức La Mã áp dụng cho các giàn giáo hiện đại. Các tòa nhà chọc trời hay cầu cảng ngày nay chịu tải trọng lớn hơn gấp hàng chục lần và đòi hỏi cấu trúc bê tông cốt thép. Đây là thách thức mà các kỹ sư La Mã chưa từng phải đối mặt: sự ăn mòn và gỉ sét của khung thép bên trong bê tông theo thời gian.
Tuy nhiên, phát hiện về động lực kết tinh calcium carbonate từ vết tích cổ đại lại cung cấp một kim chỉ nam vô giá cho ngành vật liệu tương lai. Việc hiểu rõ cách không khí giúp bê tông "tự chữa lành" sẽ giúp các nhà khoa học thiết kế ra các loại bê tông thế hệ mới: vừa sở hữu độ bền vượt thời gian, vừa giảm thiểu tối đa lượng phát thải CO2 trong quá trình sản xuất - vốn đang là một trong những tác nhân hàng đầu gây ra biến đổi khí hậu.
Một lần nữa, tri thức từ quá khứ lại mở đường cho tương lai. Từ một công trình phụ khiêm tốn 2.000 năm tuổi, người La Mã cổ đại đã gửi lại cho thế giới hiện đại một bài học đắt giá về kỹ thuật kiến tạo bền vững.
Tham khảo: Sciencealert
Đức Khương
