Vi khuẩn sống trong “tòa nhà nano cao tầng”.
Các vi khuẩn ưa nắng ở đây có thể phát triển một cách nhanh chóng và các electron do vi khuẩn thải ra sau quá trình quang hợp có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử nhỏ.
Người đứng đầu nghiên cứu trên là Tiến sĩ Jenny Zhang, Khoa Hóa học, của Đại học Cambridge. Bà cho biết, cách tiếp cận này là một bước hướng tới việc phát triển các thiết bị có khả năng tạo ra năng lượng tái tạo không carbon, bền vững hơn cho tương lai.
Cách tạo ra năng lượng trên mở ra con đường mới trong việc sản xuất năng lượng sinh học, trong đó nguồn năng lượng từ Mặt trời đóng vai trò quan trọng. Nó cũng cung cấp một mô hình tạo ra các thiết bị có khả năng tạo ra năng lượng bền vững hơn, dễ mở rộng hơn.
Việc tạo ra năng lượng theo cách này không phụ thuộc nhiều vào khai thác, tái chế, canh tác và sử dụng đất mà các công nghệ hiện tại như pin Mặt trời và nhiều loại nguyên liệu sinh học khác thường gặp phải. Nghiên cứu trên đã được công bố trên tạp chí Nature Materials.
Xây “nhà cao tầng” cho vi khuẩn lam
Vi khuẩn quang hợp, hay vi khuẩn lam, là dạng sống phong phú nhất trên Trái đất. Về cơ bản, chúng khác với các vi khuẩn khác vì chúng thu nhận năng lượng từ ánh sáng Mặt trời và sử dụng năng lượng này để kết hợp nước và không khí theo một cách sáng tạo nhằm tạo ra các phân tử phức tạp như đường và sinh khối.
Tiến sĩ Zhang giải thích, một hiện tượng thực sự hấp dẫn của vi khuẩn lam là chúng làm rò rỉ các electron ra bên ngoài tế bào trong quá trình quang hợp.
Đây là một mất mát lớn đối với chúng vì công việc có được các electron này rất vất vả, tuy nhiên nó lại mang lại lợi ích lớn cho con người. Khi đặt những vi khuẩn này trên các bề mặt dẫn điện, tức là các điện cực, rồi chiếu ánh sáng lên chúng, chúng sẽ tạo ra điện miễn phí cho chúng ta.
Tòa nhà nano mà các nhà khoa học đang thiết kế về cơ bản là các điện cực có thể thu thập càng nhiều electron mà vi khuẩn lam thải ra càng tốt.
Đó là những trụ dẫn điện rất tốt với cấu trúc cực nhỏ để có thể chứa rất nhiều vi khuẩn lam. Có thể coi đây là “tòa nhà cao tầng” cho các tế bào vi khuẩn lam, vì vậy chúng có thể quang hợp hiệu quả và cho con người thu hoạch electron của chúng.
Nhóm nghiên cứu của Đại học Cambridge đã in 3D các điện cực từ các hạt nano oxit kim loại và được điều chỉnh để hoạt động với vi khuẩn lam khi chúng thực hiện quá trình quang hợp.
Các điện cực được in dưới dạng cấu trúc cột nhiều nhánh, dày đặc, giống như một thành phố nhỏ. Các nhà khoa học đã phát triển một kỹ thuật in cho phép kiểm soát tỷ lệ chiều dài, làm cho các cấu trúc có thể điều chỉnh độ cao theo nhu cầu.
“Các điện cực có đặc tính xử lý ánh sáng tuyệt vời, giống như một căn hộ cao tầng có nhiều cửa sổ. Vi khuẩn lam cần một thứ gì đó mà chúng có thể bám vào và tạo thành một cộng đồng với những hàng xóm của chúng. Các điện cực của chúng tôi cho phép cân bằng giữa nhiều diện tích bề mặt và nhiều ánh sáng, giống như một tòa nhà chọc trời bằng kính” – Tiến sĩ Zhang giải thích.
Phương pháp in 3D tạo ra các lưới “nhà ở nano” cao tầng, nơi các vi khuẩn ưa nắng có thể phát triển nhanh chóng.
Khả năng áp dụng ở nhiều nơi
Các nhóm nghiên cứu khác khai thác năng lượng từ vi khuẩn quang hợp, các nhà khoa học ở Cambridge lại phát hiện ra rằng việc cung cấp đúng kiểu “nhà” để chúng trú ngụ sẽ làm tăng năng lượng mà chúng có thể tạo ra lên hơn một bậc nữa. Phương pháp này cạnh tranh với các phương pháp tạo năng lượng sinh học tái tạo truyền thống. Nó cũng đạt đến hiệu suất về chuyển đổi năng lượng Mặt trời để có thể cạnh tranh với nhiều phương pháp sản xuất nhiên liệu sinh học hiện nay.
Sau khi vi khuẩn lam tự lắp ráp được trong ngôi nhà mới của chúng, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng chúng hoạt động hiệu quả hơn các công nghệ năng lượng sinh học hiện tại khác như công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học.
Kỹ thuật này đã làm tăng năng lượng được chiết xuất lên một bậc lớn hơn so với phương pháp khác trong việc sản xuất năng lượng sinh học từ quá trình quang hợp.
Tiến sĩ Zhang cho biết bà rất ngạc nhiên khi có thể đạt được kết quả bằng thực nghiệm. Vi khuẩn lam là những nhà máy sản xuất hóa chất đa năng. Phương pháp tiếp cận này cho phép các nhà khoa học khai thác con đường chuyển đổi năng lượng của chúng ngay từ đầu.
Điều này giúp họ hiểu cách vi khuẩn thực hiện chuyển đổi năng lượng để có thể sử dụng cách tự nhiên của chúng để có được nhiên liệu tái tạo hoặc sản xuất hóa chất. Do vậy, các tòa nhà cao tầng nano này là phát kiến rất sáng tạo.
Vi khuẩn lam có khả năng mở rộng rất cao, chúng có thể phát triển ở bất kỳ nơi nào có nước, không khí và ánh sáng Mặt trời. Chúng có thể sống trong ao, trong sông băng, sa mạc và cả đại dương.
Theo tiến sĩ Zhang, chúng ta có thể sử dụng chúng ở khắp mọi nơi để tạo ra hóa chất và nhiên liệu với giá thành phải chăng và bền vững vì những vật liệu này có khả năng phân hủy sinh học cao và tái tạo được.
Link gốc