Môt nhóm nghiên cứu thuộc Viện nghiên cứu Massachusetts (MIT) đang cố gắng bắt chước quá trình quang hợp của thực vật bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời cùng với sự trợ giúp của virus M13 (một loại virus đơn giản và vô hại) để chia tách nước thành 2 thành phần nguyên tử là hydro và oxy. Qua đó, các nhà nghiên cứu hy vọng đây là bước đi đầu tiên hướng đến sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra nguồn hydro dự trữ phục vụ sản xuất điện hay thậm chí làm nhiên liệu lỏng dành cho phương tiện vận tải.
Thời gian gần đây, đã có một số nhà nghiên cứu chế tạo thành công các hệ thống sử dụng điện để chia tách phân tử nước. Tuy nhiên, theo giải thích của nhóm nghiên cứu MIT trên thời báo Nature Nanotechnology thì điểm khác biệt ở đây chính là hệ thống của họ lại dựa vào sinh học, sử dụng ánh sáng mặt trời để trực tiếp hổ trợ phản ứng thay vì dùng điện.
Nghiên cứu trên đã chứng minh rằng cách tốt nhất là tái tạo các quá trình vốn có bên trong thực vật hơn là chỉ đơn giản vay mượn một số thành tố của cây và tái hợp chúng. Trong thực vật, chất diệp lục hấp thụ ánh sáng mặt trời trong khi đó, các chất xúc tác xúc tiến phản ứng phân tách nước. Để thực hiện quá trình này, các nhà khoa học đã quyết định bố trí một virus M13 đóng vai trò là dây dẫn giúp chia tách hữu hiệu oxy từ phân tử nước.
Virus M13 làm việc tương tự chất diệp lục bằng cách hấp thụ ánh sáng, sau đó truyền năng lượng này từ trên xuống dưới dọc theo chiều dài của virus như một dây dẫn. Cấu trúc dây dẫn của các virus M13 cũng cho phép các sắc tố ánh sáng hấp thụ và các chất xúc tác liên kết với nhau theo một sư sắp đặt thích hợp để gây nên phản ứng chia tách nước, qua đó nâng cao hiệu suất hệ thống.
Tuy nhiên, theo giáo sư vật liệu hóa học và vật lý Thomas Mallouk, hệ thống quang hợp nhân tạo có thể rất hữu ích để áp dụng thực hành chuyển đổi năng lượng nhưng vẫn có một vấn đề đặt ra đối với hệ thống này: Để cạnh tranh về giá với các công nghệ năng lượng khác như năng lượng mặt trời, hệ thống phải đảm bảo hoạt động hiệu quả hơn ít nhất là 10 lần so với quá trình quang hợp tự nhiên của thực vật, có khả năng lặp lại phản ứng gần như vô hạn và phải được chế tạo từ các vật liệu rẻ hơn. Do đó, các thiết bị hiện thời của MIT cần phải tiến thêm một bước lớn để giải quyết vấn đề trên.
Trong hệ thống hiện tại, các nguyên tử hydro từ nước bị chia tách thành 2 thành phần là proton và electron. Tuy nhiên, phần còn lại của hệ thống mà nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ phát triển trong vòng 2 năm nữa sẽ có thể kết hợp 2 thành tố này trở lại hydro nguyên tử và phân tử. Từ đây, hydro có thể vừa được sản xuất vừa được lưu trữ phục vụ cho các mục đích khác.
Thời gian gần đây, đã có một số nhà nghiên cứu chế tạo thành công các hệ thống sử dụng điện để chia tách phân tử nước. Tuy nhiên, theo giải thích của nhóm nghiên cứu MIT trên thời báo Nature Nanotechnology thì điểm khác biệt ở đây chính là hệ thống của họ lại dựa vào sinh học, sử dụng ánh sáng mặt trời để trực tiếp hổ trợ phản ứng thay vì dùng điện.
Nghiên cứu trên đã chứng minh rằng cách tốt nhất là tái tạo các quá trình vốn có bên trong thực vật hơn là chỉ đơn giản vay mượn một số thành tố của cây và tái hợp chúng. Trong thực vật, chất diệp lục hấp thụ ánh sáng mặt trời trong khi đó, các chất xúc tác xúc tiến phản ứng phân tách nước. Để thực hiện quá trình này, các nhà khoa học đã quyết định bố trí một virus M13 đóng vai trò là dây dẫn giúp chia tách hữu hiệu oxy từ phân tử nước.
Virus M13 làm việc tương tự chất diệp lục bằng cách hấp thụ ánh sáng, sau đó truyền năng lượng này từ trên xuống dưới dọc theo chiều dài của virus như một dây dẫn. Cấu trúc dây dẫn của các virus M13 cũng cho phép các sắc tố ánh sáng hấp thụ và các chất xúc tác liên kết với nhau theo một sư sắp đặt thích hợp để gây nên phản ứng chia tách nước, qua đó nâng cao hiệu suất hệ thống.
Tuy nhiên, theo giáo sư vật liệu hóa học và vật lý Thomas Mallouk, hệ thống quang hợp nhân tạo có thể rất hữu ích để áp dụng thực hành chuyển đổi năng lượng nhưng vẫn có một vấn đề đặt ra đối với hệ thống này: Để cạnh tranh về giá với các công nghệ năng lượng khác như năng lượng mặt trời, hệ thống phải đảm bảo hoạt động hiệu quả hơn ít nhất là 10 lần so với quá trình quang hợp tự nhiên của thực vật, có khả năng lặp lại phản ứng gần như vô hạn và phải được chế tạo từ các vật liệu rẻ hơn. Do đó, các thiết bị hiện thời của MIT cần phải tiến thêm một bước lớn để giải quyết vấn đề trên.
Trong hệ thống hiện tại, các nguyên tử hydro từ nước bị chia tách thành 2 thành phần là proton và electron. Tuy nhiên, phần còn lại của hệ thống mà nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ phát triển trong vòng 2 năm nữa sẽ có thể kết hợp 2 thành tố này trở lại hydro nguyên tử và phân tử. Từ đây, hydro có thể vừa được sản xuất vừa được lưu trữ phục vụ cho các mục đích khác.
Nguồn: Gizmag
