Cá chình điện: Nguồn cảm hứng cho loại pin điện đầu tiên trên thế giới

Nhà vật lý người Ý Alessandro Volta đã vận dụng các nguyên tắc điện hóa để phát minh ra loại pin đầu tiên vào năm 1800. Kể từ đó, các nhà khoa học đã có những cải tiến mới, nhưng pin hiện đại nhìn chung vẫn dựa trên nguyên tắc tương tự như của Volta: ghép nối các vật liệu với nhau có thể tạo ra phản ứng điện hóa và tận dụng các electron được hình thành từ đó để tạo ra công suất điện.

Trên thực tế, từ trước khi con người sử dụng pin nhân tạo, các loài cá điện, chẳng hạn như cá đuối điện (Torpedo torpedo) của Địa Trung Hải và đặc biệt là các loại cá chình điện nước ngọt của Nam Mỹ (bộ Gymnotiformes) đều có khả năng phóng điện. Những con cá điện là nguồn cảm hứng để Volta tiến hành những nghiên cứu ban đầu về pin, và ngày nay các nhà khoa học vẫn đang tìm kiếm ý tưởng dựa trên nguyên lý phóng điện của chúng.

Trước khi pin của Volta ra đời, cách duy nhất để con người tạo ra điện là chà xát các vật liệu khác nhau với nhau, điển hình là lụa trên thủy tinh, và thu được tĩnh điện. Đây không phải là một cách dễ dàng và hiệu quả để tạo ra năng lượng điện hữu ích.

Volta biết cá điện có một cơ quan nội tạng đặc biệt dùng để tạo ra điện. Ông hình dung nếu bắt chước cơ chế hoạt động của nó, thì có thể tìm ra một phương thức mới để tạo ra điện.

Cơ quan tạo ra điện của cá chình gồm các tế bào xếp chồng lên nhau, kéo dài, trông rất giống một chồng đồng xu. Vì vậy, Volta đã cắt những đĩa tròn giống như đồng xu từ các tấm vật liệu khác nhau và xếp chúng theo những thứ tự ngẫu nhiên để xem liệu có thể tìm thấy bất kỳ sự kết hợp nào giúp tạo ra điện hay không. Các thí nghiệm xếp chồng này liên tục thất bại cho đến khi ông thử xếp các đĩa đồng và đĩa kẽm xen kẽ nhau thành từng cặp. Giữa mỗi cặp là một chiếc đĩa giấy thấm nước muối. Theo lý thuyết, đĩa kẽm là tấm tích điện âm (cathode), đĩa đồng là tấm tích điện dương (anode), còn đĩa giấy thấm nước muối đóng vai trò chất điện li (electrolyte).

Chuỗi đĩa đồng - giấy - kẽm này rốt cục đã tạo ra điện. Ông nhận thấy các cặp loại kim loại khác nhau tạo ra lượng điện nhiều hay ít, và ông có thể tăng cường độ dòng điện bằng cách lắp thêm các tấm kim loại đồng, kẽm. Volta nghĩ rằng mình đã khám phá ra bí mật về cách cá chình tạo ra điện, và rằng ông đã thực sự tạo ra một phiên bản nhân tạo cơ quan điện của cá. Do đó ban đầu ông đặt tên cho khám phá của mình là “cơ quan điện nhân tạo”. Tuy nhiên, sự thực không phải thế.

Các nhà khoa học hiện đại giờ đây đã chứng minh được các phản ứng điện hóa giữa những vật liệu khác nhau mà Volta phát hiện ra không liên quan gì đến cách cá chình tạo ra điện. Thay vào đó, cá chình sử dụng cách tiếp cận tương tự như cách các tế bào thần kinh của chúng ta tạo ra xung điện, nhưng ở quy mô lớn hơn nhiều.

Các tế bào chuyên biệt trong cơ quan điện của cá chình bơm các ion qua màng bán thấm để tạo ra sự chênh lệch điện tích giữa bên trong và bên ngoài màng. Khi các “cổng” cực nhỏ trong màng mở ra, các ion chảy nhanh từ bên này sang bên kia của màng, tạo ra dòng điện. Cá chình có thể đồng thời mở tất cả các “cổng” màng của nó theo ý muốn để tạo ra một luồng điện cực lớn, sau đó phóng vào con mồi.

Cá chình điện không giật chết con mồi; chúng chỉ gây choáng bằng điện trước khi tấn công. Một con cá có thể tạo ra hàng trăm volt điện (ổ cắm điện gia dụng ở Mỹ là 110 volt), nhưng điện áp của con cá không đủ để duy trì dòng điện (cường độ dòng điện) một thời gian đủ dài để giết chết các sinh vật. Mỗi xung điện từ một con cá chình chỉ kéo dài vài phần nghìn giây và có cường độ ít hơn 1 ampe. Nó chỉ tương đương 5% cường độ dòng điện trong gia đình.

Điều này tương tự như cách thức hoạt động của hàng rào điện, phát ra các xung điện cao áp trong thời gian rất ngắn với cường độ dòng điện rất thấp. Do đó, chúng gây sốc nhưng không đủ để làm chết gấu hoặc những loài động vật khác cố gắng vượt hàng rào. Nó cũng tương tự như súng điện Taser hiện đại, vận hành bằng cách nhanh chóng phát ra một xung điện áp cực cao (khoảng 50.000 volt) mang cường độ dòng điện rất thấp (chỉ vài miliampe).

Ngày nay, giống như Volta, một số nhà khoa học đang tìm cách đổi mới công nghệ pin dựa trên cơ chế phát điện của cá chình. Cụ thể, một nhóm các nhà khoa học Mỹ và Thụy Sĩ đang nghiên cứu một loại pin mới lấy cảm hứng từ loài cá đặc biệt này.

Theo nhóm nghiên cứu, việc tích hợp thiết bị công nghệ vào các sinh vật sống đòi hỏi phải có nguồn điện tương thích sinh học, linh hoạt về mặt cơ học và có thể khai thác năng lượng hóa học có sẵn bên trong các hệ thống sinh học. Pin thông thường không được thiết kế để đáp ứng những tiêu chí này. Nhóm nghiên cứu đã bắt chước cấu trúc phân lớp của cơ quan điện trong cá chình bằng cách tạo ra một tấm phủ gồm các giọt làm từ bốn vật liệu khác nhau có cấu trúc tương tự như gel. Một số giọt chứa các ion natri và clo, trong khi những giọt khác chứa nước tinh khiết. Loại giọt thứ ba dẫn ion natri nhưng không dẫn ion clo, trong khi loại giọt thứ tư thì ngược lại. Các giọt kết hợp với nhau theo một trật tự chính xác, khiến các nguyên tử natri và clo di chuyển giữa các giọt giống như các ion natri và kali trong cá chình điện. Các nhà khoa học đã công bố phát hiện này trên Nature.

Không giống như các loại pin thông thường, hệ thống này mềm, linh hoạt, trong suốt và có khả năng tương thích sinh học; nhờ đó ta có thể sử dụng nó để cung cấp năng lượng cho các vật liệu cấy ghép thế hệ tiếp theo như máy điều hòa nhịp tim hay cảm biến. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu thừa nhận còn một chặng đường dài phía trước. “Các cơ quan điện trong cá chình vô cùng tinh vi”, Michael Mayer - một thành viên trong nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Fribourg, than thở. Họ vẫn đang nỗ lực tiến hành các nghiên cứu để mô phỏng cách thức phóng điện linh hoạt của cá.