Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley và Đại học California đã chế tạo thành công một hệ thống sử dụng vi khuẩn và ống nano bán dẫn để mô phỏng quá trình quang hợp của thực vật. Họ cho biết rằng hệ thống này sử dụng nguyên liệu là nước, CO2 và ánh sáng Mặt Trời để tạo nên các khối nhựa tự phân hủy, một số loại dược phẩm và thậm chí là nhiên liệu sinh học. Công trình nghiên cứu đã được cho đăng tải trên tạp chí Nano Letters số ra mới đây.
Xu hướng của thế giới là sử dụng nguồn năng lượng tái tạo để thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, góp phần giảm thiểu lượng phát thải khí CO2. Tuy nhiên các nhà khoa học đã chỉ ra rằng dù nhiều nỗ lực đã được nghiên cứu và thực hiện nhưng một thực tế là lượng CO2 trong bầu khí quyển vẫn còn tích tụ rất nhiều mà chưa có hướng chủ động giải quyết. Nói cách khác, điều này có khả năng dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng cho con người và môi trường, điển hình là quá trình biến đổi khí hậu đang diễn ra ngày càng nhanh và phức tạp.
Một trong những cách để kiểm soát tốt lượng khí thải chính là "bắt giữ" CO2 tại thời điểm trước khi nó được thải ra khỏi ống khói nhà máy hay ống xả của xe. Một trong những công cụ hứa hẹn để thực hiện điều này là dùng polymer hoặc bọt biển. Cao cấp hơn nữa, một số nhà khoa học còn tìm cách chuyển đổi CO2 thành các phụ phẩm hữu ích như Canxi Cacbonat hoặc nhiên liệu sinh học (methanol hoặc isobutanol). Tuy nhiên, tất cả các hệ thống nói trên vẫn dừng lại ở mức độ thử nghiệm giai đoạn đầu với hiệu suất khá thấp.
Hệ thống ống nano xen kẽ với 2 loại vi khuẩn khác nhau nhằm mô phỏng quá trình quang hợp
Và lần này, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley và Đại học California muốn đưa công nghệ giải quyết CO2 tiến thêm một bước xa hơn nữa với hệ thống lấy cảm hứng từ Mẹ Thiên Nhiên: quá trình quang hợp của thực vật. Từ thuở xa xưa đến nay, quang hợp luôn là quá trình tuyệt vời của tạo hóa để đảm bảo mọi thứ trên Trái Đất được cân bằng: hấp thụ CO2, nước, ánh sáng Mặt Trời để tạo ra chất hữu cơ và khí O2. Bằng ý tưởng này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một hệ thống quang hợp nhân tạo: "cắt" các phân tử nước ra thành Hydro và Oxy đồng thời tổng hợp nên acid formic.
Giáo sư Hóa học và vật liệu nano Dương Bội Đông, người đồng dẫn đầu nghiên cứu cùng với 2 giáo sư là Christopher and Michelle Chang tại Đại học California cho biết: "Hệ thống của chúng tôi hứa hẹn sẽ thay đổi toàn bộ diện mạo của ngành công nghiệp hóa chất và dầu mỏ, tạo nên những loại hóa chất và nhiên liệu theo phương pháp hoàn toàn tái tạo được thay vì phải trích xuất nó từ các mỏ nằm sâu dưới lòng đất."
Sơ đồ hoạt động của hệ thống quang hợp nhân tạo
Phát minh của nhóm là sử dụng 2 loại vi khuẩn khác nhau được bố trí xen kẽ trong những ống nano Silicon và Titan. Các ống nano silicon sẽ hoạt động như tế bào năng lượng Mặt Trời thu nhỏ, thu giữ năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời và tạo ra các eclectron. Các electron sau đó sẽ được hấp thụ bởi Sporomusa ovata, một loại vi khuẩn kỵ khí có khả năng kết hợp chúng với nước và CO2 tạo thành acetate - một tiền chất linh hoạt. Mặt khác, những ống nano Titan của cấu trúc đóng vai trò làm cực dương, sử dụng các electron để tách O2 từ nước. O2 sinh ra được dùng để biến đổi vi khuẩn E. Coli (đã biến đổi gen) để tổng hợp nên hóa chất mong muốn.
Ngoài ra, mạng lưới các ống nano sẽ làm nơi ẩn náu cho các vi khuẩn, bảo vệ chúng khỏi tác động của điều kiện bất lợi trong môi trường như khói, bụi,… Trong những nguyên mẫu ban đầu, hệ thống nói trên đã cho hiệu suất hoạt động và tạo ra sản lượng thành phẩm với tỷ lệ cao. Theo đó, hiệu suất tạo ra butanol là 26%, 25% amorphadiene - một tiền chất của thuốc chống sốt rét artemisinin, 52% PHN - một loại nhựa phân hủy và có thể tái tạo. Nhóm cho biết rằng những con số hiệu suất có thể tăng lên trong tương lai và thêm nhiều sản phẩm khác nếu hệ thống tiếp tục được tối ưu.
Nhóm cho biết rằng hiệu suất chuyển đổi năng lượng Mặt Trời đạt 0,38% sau 200 giờ hoạt động dưới ánh sáng nhân tạo và theo họ là tương đương với những chiếc lá cây thật nhưng con số này vẫn tiếp tục được cải thiện trong tương lai. Giáo sư Dương cho biết: "Chúng tôi đang tiếp tục làm việc để tạo nên thế hệ thứ 2 của hệ thống với hiệu suất chuyển đổi năng lượng Mặt Trời tăng lên 3%. Một khi đạt hiệu suất 10% nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả chi phí thì công nghệ này hoàn toàn khả thi khi thương mại hóa rộng rãi."
