Hệ thống điện sinh học “kiểu mới”

Một trong những “cái thú” của nghiên cứu đối với các nhà khoa học chính là việc khám phá ra những thông tin mới hay những cách làm mà chưa mấy ai biết đến. Đây là điều vô cùng hấp dẫn, ngay cả khi, những phát hiện của họ “thổi bùng” lên nhiều cuộc tranh luận và phải rất vất vả mới thuyết phục được những người cùng giới chuyên môn tin vào kết quả của mình. Nhận định này có lẽ cũng đúng với trải nghiệm mà TS. Hồ Tú Cường cho rằng “có nhiều cái cũng rất vui và thú vị” trong quá trình nghiên cứu hệ thống điện sinh học của mình.

Là một công nghệ mới nổi trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) - một dạng hệ thống điện sinh học - có khả năng chuyển năng lượng hóa học có trong chất hữu cơ thành năng lượng điện nhờ hoạt tính xúc tác của vi sinh vật. Thông thường, một pin nhiên liệu vi sinh vật điển hình sẽ có cấu tạo gồm bốn phần: anot (cực âm), catot (cực dương), màng bán thấm (thường là màng trao đổi proton) và một mạch điện ngoài (các dây dẫn). Theo đó, các vi khuẩn ở cực âm sẽ có nhiệm vụ tiêu thụ các chất hữu cơ và sinh ra electron. Sau đó các electron này sẽ đi theo mạch điện ngoài, đồng thời các proton sẽ đi qua màng ngăn, để đến cực dương và sinh ra các phản ứng điện hóa (như phản ứng khử điện hóa oxy hoặc khử điện hóa trực tiếp các ion kim loại) và kết thúc chu trình truyền điện tử của một pin nhiên liệu vi sinh vật truyền thống.

Hệ thống điện sinh học mới được Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ KH&CN) cấp bằng độc quyền sáng chế số 1-0028712 của nhóm TS. Hồ Tú Cường lại có cách thiết kế và vận hành hoàn toàn khác biệt. Cụ thể, theo sáng chế này, khoang catot và khoang anot sẽ được tạo riêng biệt và giữa hai khoang này không có màng trao đổi ion. Đồng thời, ở hai khoang sẽ không sử dụng hai điện cực riêng biệt để làm catot và anot như các hệ thống đã biết, mà sử dụng chung một điện cực than chì với hai đầu được bố trí trong mỗi khoang để tạo thành cực catot và cực anot tương ứng. Và hệ thống này không có dây dẫn điện bên ngoài.

Tại sao nhóm của TS. Cường lại xây dựng một hệ thống khác biệt như vậy? Câu chuyện bắt đầu từ những năm 2012. Khi ấy, sau nhiều năm nghiên cứu hệ thống điện sinh học, TS. Cường bắt đầu nảy ra những câu hỏi và bài toán khác nhau đối với hệ thống MFC. Có kinh nghiệm nghiên cứu cũng như tìm đọc nhiều tài liệu trước đây về vi khuẩn Shewanella - một vi khuẩn hay được dùng làm tác nhân sinh học vận hành hệ thống điện MFC, anh nhận thấy vi khuẩn Shewanella thường sẽ bám vào trên bề mặt điện cực than chì hoặc bề mặt rắn khác để truyền điện tử. “Vi khuẩn này có thể truyền điện tử ra ngoài, nhưng làm thế nào để có thể ‘dẫn’ điện tử đó sang phía bên kia và truyền trực tiếp?”, anh băn khoăn.

Trong khi đang đi tìm lời giải cho câu hỏi này thì anh lại gặp một câu hỏi khác: Vai trò thực sự của dây dẫn là gì? “Khi làm nghiên cứu, mình mới phát hiện ra, bản thân dây dẫn bên ngoài cũng có thể góp phần tạo ra phản ứng oxi hóa khử. Vậy câu hỏi lý thuyết là: phản ứng oxi hóa khử trong hệ thống điện này là do vi khuẩn hay do dây dẫn?”, anh nhớ lại, “nếu bây giờ mình bỏ dây dẫn đi mà hệ thống điện vẫn phản ứng thì sẽ chứng minh được vi khuẩn truyền điện tử trực tiếp ra bên ngoài mà không cần dây dẫn nữa, chỉ cần thông qua điện cực than chì thôi”. Điều này sẽ không chỉ có ý nghĩa về lý thuyết khi trực tiếp chứng minh được khả năng truyền điện tử ra bên ngoài của vi khuẩn, mà còn có thể được ứng dụng trong tương lai để cải thiện các vấn đề của hệ thống MFC truyền thống có dây dẫn (ví dụ như nguy cơ chập điện khi các dây dẫn ở mạch điện ngoài tiếp xúc với nước thải hoặc chất phản ứng).

Không chỉ vậy, TS. Cường cũng nhìn thấy một hướng tiếp cận khác có thể biến nhược điểm của hệ thống điện sinh học thành ưu điểm. “Bản chất của hệ thống điện sinh học là dòng điện rất thấp. Trên thế giới, người ta đang dùng hệ thống điện sinh học này để xử lý nước thải và tái sinh năng lượng, nhưng phải đầu tư rất nhiều tiền và hiệu suất cũng vẫn không phải là tối ưu. Như vậy, nếu thay vì phát điện, mình sử dụng dòng điện thấp ấy theo một hướng khác như tổng hợp vật liệu nano - vốn cần dòng điện thấp như vậy để tạo ra được vật liệu có kích thước nhỏ - thì lại phù hợp”, TS. Cường giải thích.

Đó cũng là lý do anh lại “lật ngược” một điểm nữa so với hệ thống điện sinh học truyền thống: không đòi hỏi phải có sự cân bằng điện tử giữa hai bên cực. “Thông thường người ta sẽ nghĩ đến việc làm sao để cân bằng điện tử giữa hai bên cực cho dòng điện có thể chạy qua, chứ không nghĩ theo hướng ngược lại, do vậy, các hệ thống MFC thường phải sử dụng màng trao đổi proton có giá thành cao. Nếu sử dụng liên tục trong thời gian dài, hiệu quả vận chuyển proton qua màng có thể giảm, dẫn đến hiệu suất của hệ thống cũng giảm theo. Nhưng do mình không cần trao đổi proton như vậy nên có thể sử dụng những loại màng giá thành rẻ hơn nhiều, ví dụ như silicon”, anh giải thích.

Song, một cách làm có sự khác biệt hoàn toàn với những “chuẩn” thông thường như vậy liệu có thể thuyết phục được giới chuyên môn? “Nhiều chuyên gia cũng ngạc nhiên với hệ thống, thậm chí còn nghi ngờ khi cho rằng phải đo được dòng điện thì mới có thể khẳng định đó là hệ thống điện sinh học. Tuy nhiên hệ thống của mình lại không thể đo được trực tiếp như vậy do điện cực than chì dẫn điện rất tốt - dòng điện đi từ bên cực này sang bên cực kia luôn - nên chỉ có thể chứng minh gián tiếp, nhận diện dòng điện thông qua các yếu tố khác như sự thay đổi của cơ chất hay các sản phẩm vật liệu thu được”, TS. Cường cho biết. Cũng bởi vậy nên phải sau một năm rưỡi gửi bài, sửa đi sửa lại, trong đó có cả việc bị từ chối và phải chuyển sang tạp chí khác thì kết quả nghiên cứu của anh mới được đăng trên tạp chí Electronic Journal of Biotechnology.

Với kết cấu điện cực và thiết kế mới, hệ thống điện của nhóm TS. Cường không chỉ có thể dễ dàng chế tạo với những vật liệu sẵn có, chi phí thấp; mà còn không cần đến mạch điện ngoài do điện cực đã đóng vai trò như một mạch điện trong, nhờ đó tiết kiệm chi phí dây dẫn. Đồng thời, cũng do không sử dụng dây dẫn, hệ thống điện do nhóm sáng chế sẽ cho dòng điện thấp dưới ngưỡng đo, nhờ đó sẽ có khả năng tạo ra các vật liệu nano có kích thước rất nhỏ.

Sau khi đã chứng minh được hệ thống điện sinh học mới này thực sự hoạt động, nó sẽ có tiềm năng ứng dụng như thế nào? “Hệ thống có thể được sử dụng để vừa xử lý được chất ô nhiễm hữu cơ, vừa tái sử dụng, tạo ra được sản phẩm có ích, chẳng hạn như xử lý kim loại nặng trong nước, chuyển hóa các kim loại nặng thành các vật liệu có thể sử dụng trong nông nghiệp như phân bón hay ion đồng để trừ sâu”, TS. Cường cho hay.

Nhóm nghiên cứu của anh cũng đã thử nghiệm hệ thống này để tổng hợp các vật liệu như nano cadmi sulfide, seleni, bạc, đồng... Kết quả cho thấy, hệ thống có thể tổng hợp được những vật liệu với kích thước rất nhỏ và tinh khiết. Chẳng hạn như với seleni, nhóm của TS. Cường đã tổng hợp và tách hoàn toàn được các hạt nano seleni sạch khỏi tế bào vi khuẩn trong hệ thống điện sinh học với kích thước 30–60 nm. “Các hạt này có thể được sử dụng để thử nghiệm với các hoạt động kháng khuẩn trong y tế”, nhóm nghiên cứu cho biết.

Dù có nhiều tiềm năng, song theo TS. Cường, nghiên cứu này mới ở bước đầu và chủ yếu mang đến những đóng góp về mặt lý thuyết đối với khả năng truyền điện tử của vi khuẩn ra bên ngoài. Để có thể ứng dụng tốt hơn trong tương lai, anh cho rằng sẽ cần phải tối ưu hóa từ hiệu suất truyền điện tử cho đến cơ chế, nguyên vật liệu. “Sắp tới, có thể chúng tôi sẽ không chỉ làm với một chủng vi khuẩn đơn lẻ nữa mà có thể là cả một hệ vi sinh vật”, anh nói, “Sẽ còn một quá trình dài phía trước để nghiên cứu. Tuy nhiên, đây sẽ là khởi đầu của một công nghệ chi phí thấp có nhiều khả năng ứng dụng để tạo vật liệu như ion cadmi sulfide hay seleni, hay tạo vật liệu nano kim loại, làm sensor”, TS. Cường cho biết.