Tin quốc tế
Mùa xuân cho lá nhân tạo
(tiasang.com.vn - 16/05/2018):

Quátrình chuyển đổi các photon thành nhiên liệu đang tiến triển.

Mộtbuổi sớm mùa xuân ở Pasadena, California, bầu không khí tràn ngập mùi cỏ vàhoa. Quá trình quang hợp của cỏ cây tại hai bên con đường nhỏ ở Viện Công nghệCalifornia (Caltech) thật dễ dàng: chúng lặng lẽ chuyển đổi ánh nắng mặt trờithành năng lượng để lưu trữ đường, nuôi lá, rễ và thúc đẩy quá trình tăngtrưởng của các tế bào.

Bêntrong PTN Jorgensen của Caltech, hơn 80 nhà nghiên cứu đang nỗ lực lặp lại cáccông việc đó của lá cây bằng việc dùng silicon, nickel, sắt và các loại vậtliệu thường thấy trong sản xuất điện thoại di động hơn là tế bào thực vật. Cácphòng thí nghiệm mới của họ là trụ sở của Trung tâm Liên hợp Quang năng nhântạo (JCAP), một chương trình nghiên cứu gồm 190 thành viên do Bộ Năng lượng Mỹ (DOE)đầu tư với khoản kinh phí 116 triệu USD trong vòng 5 năm. Mục tiêu của Trungtâm này là dùng ánh sáng mặt trời để tạo ra hydro và các loại nhiên liệu kháchiệu quả hơn so với cách người ta vẫn áp dụng là xử lý thực vật để tạo ra nănglượng sinh khối.

Cácquỹ, các tổ chức trên thế giới – và ít nhất là một số công ty tư nhân – đangđầu tư những khoản chưa từng thấy vào việc tìm ra nhiên liệu có khả năng tạo rađiện từ mặt trời, không chỉ không phát thải carbon mà còn có tiềm năng trữlượng vô tận. JCAP được thành lập vào năm 2010 để tập trung vào những vấn đề cụthể như nghiên cứu cơ bản và ứng dụng và kỹ thuật để tạo ra một chiếc lá nhântạo. Dẫu cho JCAP đã có được những bước đi quan trọng trong tiến trình nàynhưng vẫn còn một con đường dài để đạt được mục tiêu này, “đây là vấn đề đầythách thức và khó khăn”, nhà điện hóa John Turner của PTN Năng lượng tái tạoquốc gia Mỹ ở Golden, Colorado, cho biết. “Khả năng thu hồi vốn rất lớn nhưngcũng không đơn giản để có được nó, chúng tôi đã bắt đầu nghiên cứu trong lĩnhvực này 40 năm rồi mà vẫn chưa thực sự đạt được mục tiêu như mong muốn”.

Tuynhiên, nguồn đầu tư dồi dào thể hiện sự quan tâm rất lớn từ nhiều phía và đócũng là lý do để nhiều nhà nghiên cứu hi vọng cho một thành công mang tính dàihạn. “Nếu anh có thể giữ được những nỗ lực như thế này trong vòng 10 năm nữathì anh có thể có được một giải pháp thiết thực”, Michael Wasielewski, nhà hóahọc ở trường Đại học Northwestern tại Evanston, Illinois, nhận định.

Bắtlấy tia mặt trời

Ýtưởng quang hợp nhân tạo có từ năm 1912 nhưng mãi đến năm 1972 thì mới có sựtiến triển khi các nhà nghiên cứu Nhật Bản giới thiệu bài báo “Sự quang phânđiện hóa của nước tại một điện cực bán dẫn” (Electrochemical Photolysis ofWater at a Semiconductor Electrode) trên Nature về một công nghệ có thể tạo ranhiên liệu lỏng từ CO2, nước và ánh nắng mặt trời như quá trình quang hợp củacây cối. Các nhà nghiên cứu gọi đó là lá nhân tạo.

Quátrình sau đó tiến triển chậm chạp. Đến năm 1998, Tuner xuất bản một công bốtrên Science về một hệ thống hoàn chỉnh với một bước tiến lớn – có khả năng lưutrữ 12% nhiên liệntừ năng lượng mặt trời trong khi năng lượng sinh khối từ thựcvật chỉ đạt hiệu suất 1%. Tuy nhiên, điểm yếu của hệ thống này là chi phí gấp25 lần, không đủ sức cạnh tranh và độ bền của nó chỉ đạt 20 giờ.

Vìvậy Natthan Lewis, nhà hoá vô cơ tại Caltech và Giám đốc khoa học của JCAP chorằng đối với một cái lá nhân tạo, có ba yếu tố cần thiết là “hiệu suất, giáthành và độ bền. Tôi có thể cung cấp cho anh ngay [một cái lá] có hai trong bayếu tố này còn yếu tố thứ ba thì còn phải chờ”.

Nhiệmvụ của JCAP là giải quyết bế tắc này. Tuy nhiên việc làm cho bất kỳ thành phầnnào của một chiếc lá nhân tạo hoạt động tốt cũng là một thách thức; kết hợpchúng lại thành một hệ thống hoàn chỉnh còn khó hơn nhiều. “Điều này giống nhưviệc thiết kế và lắp đặt một cái máy bay. Anh không chỉ có một động cơ mà cònphải thiết kế cả cánh, thân máy bay, hệ thống điều khiển và cuối cùng phải làmsao để chiếc máy bay này bay được”, Lewis ví von.

Rấtnhiều khó khăn đến ngay từ việc lựa chọn vật liệu chuẩn.Ví dụ như Silicon cóthể làm ra một quang cathode – điện cực sản xuất ra khí hydro – nhưng nó chỉbền trong một dung dịch có tính axít. Thật không may là nó lại trái ngược vớiđiều kiện hoạt động của quang anode – điện cực sản xuất ô xi, vốn chỉ bền vữngtrong dung dịch không có tính a xít. Và iridi, chất xúc tác cho điện cực sảnxuất ô xi này vừa hiếm lại vừa đắt, không phù hợp với thiết bị được sản xuấttrên diện rộng.

CarlKoval, nhà điện hóa và giám đốc của JCAP nhấn mạnh, một trong những khó khănbậc nhất trong việc quang hóa nhân tạo là tìm một vật liệu tốt để làm quanganode. “Những nguyên liệu đã thử luôn luôn thiếu ổn định, thường thường độ bềnchỉ tính bằng phút”. Vì thế, nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc tìmnhững vật liệu đã được biết rõ là rẻ và ổn định – tất nhiên là ô xít kim loại –và cố làm cho chúng có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn. Còn nhiều người khácnghĩ tốt hơn là bắt đầu với những vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng và sauđó cố làm cho chúng bền và rẻ.

Mộtnhóm nghiên cứu của JCAP đi theo cách tiếp cận thứ hai. Bằng việc phủ một lớp“áo” bảo vệ bằng ô xít titan lên chất quang hấp thụ mạnh như silicon, các nhànghiên cứu đã thành công khi đem lại độ bền cho nó.“Về cơ bản đó là mảnh ghépcuối cùng để tạo ra mẫu thử lá nhân tạo thế hệ mới”, Koval dự đoán.

Lewischo rằng, “đó sẽ là một hệ thống có hiệu suất đạt hai con số và có tính bền”.Tuy nhiên, khả năng thương mại hóa sản phẩm không cao, bộ phận quang hấp thụvẫn không đủ rẻ để mang ra ngoài thị trường bởi bộ lõi được làm từ silicon đơntinh thể đắt đỏ, ông dự đoán.

Nhiềuý tưởng

Bêncạnh JCAP, còn có nhiều cách tiếp cận khác được thử nghiệm để theo đuổi mụctiêu này. Ví dụ bên bờ biển Santa Barbara, California, HyperSolar - mộtstartup, đang thử nghiệm một hệ thống có bộ quang hấp thụ được phủ bằng một lớpnano và chất xúc tác được đặt trong một túi nhựa đựng nước trong suốt. Túi nhựanày sẽ phồng lên khi tiếp xúc với ánh nắng mặt trời và hydro, khí ô xi đượctách trong đó.  Những hệ thống như thế này có thể sử dụng ở những vùng cónhiều ánh nắng mặt trời như sa mạc. Một báo cáo của DOE dự đoán, nếu sử dụngcác vật liệu rẻ tiền thì “túi đặc biệt” này có thể làm ra được hydro với hiệusuất 10% và có độ bền tới 10 năm.

Tuynhiên hệ thống trên tiềm ẩn nguy hiểm rất lớn, Turner nhận xét, bởi nó tạo ra ôxi bên cạnh hydro. “Nếu đặt những chiếc túi này vào diện tích khoảng chừng 100dặm vuông trên sa mạc với hỗn hợp nguy hiểm này, chỉ một tia chớp là có thể tạora một thảm họa”. Các nhà nghiên cứu của HyperSolar đang tìm nhiều cách để hạnchế hiểm họa và một trong số đó là dùng một hệ thống phân tách các khí vào haitúi, Syed Mubeen – một postdoc tại trường đại học California ở Santa Barbara,và là người phụ trách bộ phận nghiên cứu tại công ty – cho biết. Một cách kháclà cho vận hành một hệ thống dùng nước thải thay vì nước tinh khiết, vì vậy ôxi sẽ phản ứng với các tạp chất hữu cơ và phân rã chúng thành những hóa chất cógiá trị.Cách tiếp cận này “loại bỏ được ô xi khỏi phương trình phản ứng mộtcách hoàn toàn”, Mubeen nói.Giống như quang anode bền vững của JCAP, bộ phậnquang hấp thụ của HyperSolar cũng được bảo vệ bằng một lớp phủ bên ngoài.

Mộtđại diện khác trong lĩnh vực quang hợp nhân tạo là Hiệp hội nghiên cứu công nghệvề quá trình hóa học quang hợp nhân tạo (ARPChem) -một liên doanh của cáctrường đại học và các công ty mà ngân sách do chính phủ cấp có thể so sánh đượcvới JCAP, kèm theo thời hạn 10 năm – để phát triển một cách tiếp cận kiểu “túinhiên liệu” của HyperSolar. Kazunari Domen, nhà hóa học ở trường Đại học Tokyovà là người phụ trách nhóm tách nước của ARPChem, cho biết một trong những côngty của liên doanh đã nghiên cứu về lớp màng tách hydro và các sản phẩm về ôxi.

Bêncạnh đó, những dự án đang nhắm tới việc tạo các bộ quang hấp thụ bằng các phântử hữu cơ thay vì chất bán dẫn.Một số nhà nghiên cứu đang xây dựng phân tử đượclấy cảm hứng từ cơ quan quang hợp của cây trồng.Trong vài năm qua, một số nhànghiên cứu nghĩ rằng perovskite - có hiệu ứng chuyển đổi năng lượng cao và cóthể có tiềm năng trong quang hợp nhân tạo.

DanielNocera – nhà hóa học ở trường Đại học Harvard tại Cambridge, Massachusetts, đãthành lập công ty Sun Catalytix để phát triển một xúc tác giá thành thấp. Tuynhiên công ty này đã thông báo là họ đang tiến hành nghiên cứu để theo đuổi mộtsản phẩm có triển vọng thương mại hóa sớm hơn. Điều đó cho thấy việc đưa hệthống quang hợp nhân tạo ra thị trường gặp vô vàn khó khăn.

Cácnhóm nghiên cứu trên thế giới đang nỗ lực tìm ra thứ công nghệ tốt nhất. DevensGust, nhà hóa học ở trường đại học liên bang Arizona ở Tempe, nhận xét: “Điềucốt lõi là không ai thực sự biết rằng công nghệ nào sẽ chiến thắng, công nghệnào sẽ hữu dụng.”

Nhưngbất cứ công nghệ nào chiếm ưu thế thì theo Lewis, logic đằng sau quang hợp nhântạo là không thể lay chuyển: “Nguồn năng lượng lớn nhất mà chúng ta có là mặttrời và cách tốt nhất là chuyển hóa nó!”.

 

 
Tin tức khác
Phytohormones: ngôn ngữ hóa học của hệ thống gây bệnh giữa Magnaporthe oryzae và cây lúa
Thực hiện “footprinting” trong methyl hóa DNA để tìm hiểu quá trình thuần hóa cây đậu nành và cải tiến giống.
Do sở hữu nhiều gen ưu việt nên con người có thể sống lâu trăm tuổi?
Các nhà khoa học sao chép vi-rút để giúp ngăn chặn bệnh trên cây nho
Tảo lục hứa hẹn sẽ giúp tăng sản lượng lương thực
Thông báo
Thông báo chuẩn bị hồ sơ đăng ký giao trực tiếp thực hiện từ năm 2019 thuộc Chương trình CNSH
Thông báo số 1: Hội nghị Công nghệ sinh học toàn quốc – Khu vực phía Nam lần thứ II năm 2011
Quyết định 490/QĐ-BNN-KHCN điều chỉnh cá nhân chủ trì đề tài thuộc “chương trình trọng điểm phát triển và ứng dụng công nghệ sinh học trong lĩnh vực nông nghiệp và ptnt đến năm 2020”.
THÔNG BÁO TUYỂN CHỌN TỔ CHỨC VÀ CÁ NHÂN CHỦ TRÌ NHIỆM VỤ KH&CN
Kết quả khảo nghiệm đánh giá an toàn sinh học đối với đa dạng sinh học và môi trường
Văn bản mới
Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn thông báo giao trực tiếp tổ chức, cá nhân thực hiện nhiệm vụ KHCN...
Quyết định 490/QĐ-BNN-KHCN điều chỉnh cá nhân chủ trì đề tài thuộc “chương trình trọng điểm phát triển...
Quyết định phê duyệt danh mục nhiệm vụ khoa học và công nghệ đưa vào tuyển chọn, giao trực tiếp bắt đầu...
Về việc cấp bằng bảo hộ giống cây trồng mới (kèm danh mục)
Bổ sung 71 chỉ tiêu tuyển sinh đào tạo thạc sĩ năm 2011 cho Trường Đại học Lâm nghiệp
Về việc giao dự toán NSNN năm 2011(Kinh phí bổ sung sự nghiệp khoa học Công nghệ năm 2011- nhiệm vụ cấp...
Giao dự toán ngân sách nhà nước năm 2011 (đợt 4) Kinh phí xử lý sự cố đê điều năm 2011 (Phụ lục kèm theo)
Tài Liệu mới
Rút ngằn thời gian vi nhân giống lan hồ điệp
Công nghệ sinh học trong nông nghiệp
Ảnh hưởng của các yếu tố sinh học lên sự nảy mầm
Kỹ thuật trồng hoa lan Mokara
Liên kết Website
Vụ khoa học công nghệ và môi trường bộ NN và PTNT
Viện công nghệ sinh học
Bộ nông nghiệp vf phát triển nông thôn
Agbiotech Việt Nam
Báo Nhân Dân
Trung tâm Khuyến nông Quốc gia
Thống kê truy cập
Số người đang online: 48
Tổng số lượt truy cập: 612458
Ngân hàng Nông nghiệp và phát triển nông thôn
Copyright © 2011 Văn phòng Công nghệ sinh học - Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn
Địa chỉ : Số 02 Ngọc Hà, Ba Đình, Hà Nội. Điện thoại : (024) 38436817 - Fax: (024) 38433637
Email: webmaster@agrobitotech.gov.vn. Web site: www.agrobiotech.gov.vn