Thế hệ pin tương lai được sản xuất bằng virus

Năm 2009, giáo sư Angela Belcher đã có chuyến ghé thăm Nhà Trắng và giới thiệu với cựu Tổng thống Barack Obama về mô hình pin của mình. Tất nhiên đây không phải là một mẫu pin bình thường: Belcher đã sử dụng các loại virus để tạo ra các điện cực âm và dương của thỏi pin này. Tại thời điểm đó, cục pin nhỏ bé được coi là một giải pháp mang tính đột phá giúp giảm thiểu độ độc hại trong quá trình sản xuất pin và cải thiện hiệu suất trong tương lai. Vì những lý do trên, Tổng thống Obama đã sẵn sàng tuyên bố đầu tư nguồn ngân sách trị giá 2 tỉ USD vào phát triển công nghệ nhằm đưa loại pin này ra thị trường trong tương lai gần.

Hơn một thập kỷ sau, quy trình sản xuất dây chuyền do Belcher đề xuất đã phát triển nhanh chóng. Vị nữ giáo sư đã tạo ra các loại virus có thể kết hợp với 150 vật liệu khác nhau và chứng minh khả năng ứng dụng kỹ thuật của mình vào việc sản xuất các thiết bị khác, chẳng hạn như pin mặt trời.

Được coi là “tử thần” của tạo hóa, virus là sinh vật nằm giữa ranh giới của sự sống và cái chết: dù mang trong mình DNA – dấu hiệu của các loài sinh vật sống, nhưng virus lại không thể sinh sản nếu thiếu vật chủ. Và theo giáo sư Belcher, đặc tính này của chúng có thể được áp dụng vào kỹ thuật nano nhằm nâng cao tuổi thọ, mật độ năng lượng và tốc độ nạp của các loại pin và sản xuất chúng theo phương thức thân thiện hơn với môi trường.

Cụ thể, virus được Belcher sử dụng nhiều nhất là M13 bacteriophage, một loại virus sinh sản trong cơ thể vi khuẩn. Để tạo ra các điện cực, Belcher sẽ để virus tiếp xúc với vật liệu mong muốn. Khi đó, các biến dị tự nhiên hoặc nhân tạo trong DNA sẽ giúp virus hấp thụ chất này. Các virus sau đó sẽ được cấy vào trong một tế bào vi khuẩn để nhân bản hàng loạt. Quy trình này được lặp lại liên tục, và qua nhiều lần lặp, khả năng của virus sẽ càng được hoàn thiện.

Hàng triệu virus sẽ cùng thực hiện một nhiệm vụ có thể tạo ra các vật liệu cần thiết để sản xuất hai cực pin a-nốt và ca-tốt. Chẳng hạn, để tạo mạng lưới coban oxit dùng trong điện cực pin, virus biến đổi gen sẽ được thiết kế để đẩy các protein lên trên bề mặt nhằm thu hút các phân tử coban oxit bao quanh cơ thể mình.

Trong quy trình của Belcher, các chuỗi DNA sẽ được liên kết với nhiều nguyên tố trong bảng tuần hoàn nhằm đẩy nhanh quá trình chọn lọc phi tự nhiên. Nếu chỉ được mã hóa DNA theo một chiều, virus sẽ có xu hướng thu hút các phân tử sắt phosphate. Nhưng nếu đảo ngược lại mã hóa, virus sẽ “ưa” các phân tử coban oxit hơn. Kỹ thuật này có thể áp dụng với mọi nguyên tố trong bảng tuần hoàn, miễn là tìm được chuỗi DNA phù hợp.

Kỹ thuật dây chuyền này đã được áp dụng để tạo các điện cực và sử dụng trong nhiều loại pin khác nhau. Loại pin được giới thiệu với cựu Tổng thống Obama là loại pin lithium-ion tiêu chuẩn thường thấy trong đồng hồ đeo tay. Tuy nhiên, trong quá trình phát triển, Belcher đã thử nghiệm với nhiều loại pin ít phổ biến hơn như lithium-air và natri-ion với lý do không muốn cạnh tranh với công nghệ lithium-ion vốn đã quá phổ biến.

Đến nay, các điện cực làm từ virus vẫn có cấu trúc gần như ngẫu nhiên, song các nhà phát triển đang nỗ lực sắp xếp chúng theo trình tự rõ ràng hơn. Dù vậy, hiệu năng của loại pin virus hiện tại vẫn ngang bằng, thậm chí vượt trội hơn các loại pin sản xuất theo phương thức truyền thống. Bên cạnh đó, theo giáo sư Belcher, lợi ích lớn nhất từ loại pin này chính là yếu tố thân thiện với môi trường. Các phương pháp sản xuất truyền thống cần nhiệt độ cao và các hóa chất độc hại, trong khi phương pháp sản xuất mới chỉ yêu cầu các vật liệu tạo điện cực, nước ở nhiệt độ phòng và các virus biến đổi gen.

Tuy chưa đưa ra thị trường, nhóm nghiên cứu cũng đã đề xuất trong một số bài nghiên cứu về khả năng thương mại hóa và các ứng dụng khác của công nghệ pin-virus này. Hiện tại, Belcher đã đồng sáng lập hai công ty sử dụng công nghệ sản xuất bằng virus, bao gồm Cambrios Technologies – chuyên sản xuất linh kiện điện tử cho màn hình cảm ứng và Siluria Technologies - sử dụng virus vào quy trình chuyển hóa methane thành ethylene. Bên cạnh đó, công nghệ virus cũng được dùng trong phát triển pin mặt trời, song hiệu suất vẫn chưa đủ để cạnh tranh với pin perovskite.

Nguồn: https://www.wired.com/story/the-next-generation-of-batteries-could-be-built-by-viruses/