Đại học Harvard phát triển lá bionic quang hợp nhân tạo với hiệu suất cao hơn lá thật

Tận dụng một loại vi khuẩn có khả năng tiêu thụ hydro, một hệ thống dùng cobalt tách nước thành hydro, oxy và một cặp điện cực, các nhà khoa học Harvard đã phát triển thành công một chiếc lá nhân tạo với khả năng chuyển hóa ánh sáng Mặt Trời thành nhiên liệu với hiệu suất lên tới 10% - cao hơn cả lá thật ngoài tự nhiên. Khi cho dòng điện chạy qua hệ thống bán sinh học này, các điện cực sẽ biến nước thành hydro lỏng dùng làm nhiên liệu, đồng thời tạo nên các loại vật liệu thân thiện với môi trờng.

Người ta thường gọi thực vật là một nhà máy năng lượng bởi từ hàng triệu năm trước nó đã có khả năng chuyển hóa nguồn năng lượng vô tận từ ánh sáng Mặt Trời qua quá trình quang hợp. Bởi thế, con người luôn mong muốn được làm chủ quá trình này, nghĩa là tạo nên một hệ thống quang hợp nhân tạo nhằm dần dần không còn phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch vốn có quá nhiều vấn đề về môi trường. Trong nỗ lực đó, các nhà nghiên cứu tại Đại học Harvard dẫn đầu bởi giáo sư Daniel Nocera đã phát triển một hệ thống quang hợp nhân tạo bán sinh học.

Trong báo cáo phát đi mới đây, giáo sư Nocera cho biết: "Chúng tôi đã đạt được hiệu suất hằng mơ ước của quá trình quang hợp trong tự nhiên. Nếu bạn nghĩ về nó rõ ràng quang hợp là một quá trình tuyệt vời. Chỉ cần lấy ánh sáng Mặt Trời, nước và không khí, sau đó nhìn một cái cây. Đó chính xác là những gì chúng tôi đã làm, nhưng thậm chí chúng tôi còn làm tốt hơn bởi lần lượt biến tất cả những thứ đó thành năng lượng".

Hệ thống quang hợp nhân tạo này có tên gọi là "lá bionic 2.0".

Nhóm nghiên cứu gọi hệ thống quang hợp nhân tạo này là "lá bionic 2.0" bởi cách đây vài năm, họ đã phát triển một chiếc lá nhân tạo có thể tiến hành quá trình quang hợp, tuy nhiên sau quá trình thì chiếc lá này cũng không còn sử dụng được. Ở phiên bản mới, họ sử dụng một loại vi khuẩn mang tên Ralstonia eutropha để đảm nhận giai đoạn cuối của quá trình chuyển các sản phẩm quang hợp thành nhiên liệu lỏng. Tuy nhiên, họ vẫn sử dụng một số xúc tác kim loại như nickel, molypden và kẽm vốn giết chết vi khuẩn.

Thực ra trên thế giới cũng có không ít các nhóm nghiên cứu khác tham gia vào cuộc đua quang hợp nhân tạo nhưng thành công vẫn chỉ ở mức vừa phải. Đa phần đều vấp phải cùng một vấn đề: mặc dù việc tạo ra một sản phẩm quang hợp nhân tạo là khá đơn giản, nhưng khi muốn chuyển hóa các sản phẩm hydro cuối cùng thành nhiên liệu có thể sử dụng được thì không thể đảm bảo được tính khép kín của hệ thống.

Và ở hệ thống mới, giáo sư Nocera và nhóm của ông đã tiếp tục phát triển hệ thống lá bionic của họ để đạt hiệu suất cao hơn. Dù vậy, bước cuối cùng toàn bộ vi khuẩn vẫn phải bị tiêu diệt do có sử dụng hỗn hợp coban và phốt pho. Sau đó, họ đưa một điện thế thấp vào chiếc lá đề đẩy mạnh hiệu suất của quá trình. Trong tự nhiên, hầu hết các loài thực vật đều không vượt quá hiệu suất 1% và ngay cả những loài vi tảo cũng chỉ đạt mốc 5%. Tuy nhiên chiếc lá nhân tạo hoàn toàn bằng kim loại và những con vi khuẩn đã đạt tới hiệu suất 10% - điều chưa từng thấy trong tự nhiên.

Giáo sư Nocera cho biết: "đây là một khám phá cực kỳ quan trọng bởi nó minh chứng cho chúng ta rằng quá trình quang hợp có thể được hoàn thiện hơn. Đồng thời chúng tôi cũng muốn mang công nghệ này để phát triển thế giới. Thật vậy, thiếu năng lượng lkaf một vấn đề nghiệm trong đối với các nước đang phát triển. Hơn 1,3 tỷ người vẫn còn sống không có điện trong khi một nửa thế giới vẫn còn phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu bẩn để nấu ăn. Đây không chỉ tạo nên nguồn ô nhiễm không khí trong nhà mà còn gây ra 2 triệu cái chết mỗi năm. Và chiếc lá của chúng tôi có thể là một trong những cách ngăn chặn những cái chết nói trên".