“Lá nhân tạo” biến ánh nắng thành nhiên liệu bằng cách nào?

Ngay cả mía và ngô, hai loại cây phát triển nhanh và quang hợp hiệu quả, cũng chỉ sử dụng khoảng 1% ánh sáng chiếu tới. “Lá nhân tạo” tìm cách vượt giới hạn ấy không phải bằng cách sao chép nguyên một chiếc lá, mà bằng cách tách công việc thành những khâu có thể tối ưu riêng: thiết bị dùng ánh sáng để tách nước, còn vi khuẩn nhận hydro sinh ra và biến nó thành sản phẩm hữu ích. Cách phân công này giúp giải thích vì sao một hệ thống không hề giống lá cây vẫn được đặt tên theo lá. [1]

Vì sao lá cây bỏ phí phần lớn ánh sáng?

Lá cây là một “nhà máy” hóa học đa nhiệm. Nó không chỉ thu năng lượng mà còn phải duy trì hoạt động sống và tạo ra nhiều hợp chất khác nhau, từ đường cho tới các chất có vị đắng giúp cây hạn chế bị động vật ăn. Vì thế, hiệu quả của lá không thể chỉ được đánh giá như hiệu suất của một thiết bị chuyên làm nhiên liệu. Con số khoảng 1% ở mía và ngô cho thấy phần ánh sáng cuối cùng được chuyển thành năng lượng hóa học là nhỏ, nhưng không có nghĩa phần còn lại đều biến mất theo cùng một cách. [1]

Có thể hình dung bằng một ví dụ: một căn bếp làm hàng chục món khó tối ưu riêng cho việc đun nước, trong khi một ấm điện chỉ phục vụ đúng nhiệm vụ đó. Lá nhân tạo đi theo hướng chuyên môn hóa tương tự. Nó không cần lớn lên, tự sửa chữa hay tạo toàn bộ vật chất của một cơ thể sống. Mục tiêu hẹp hơn là giữ năng lượng ánh sáng trong các liên kết hóa học để có thể sử dụng vào thời điểm khác. [1]

Quang hợp được chia thành hai bước ra sao?

Theo cách mô tả giản lược, quang hợp gồm hai phần. Trước hết, năng lượng ánh sáng giúp tách nước, tạo ra hydro và oxy. Sau đó, cây kết hợp hydro với carbon dioxide theo nhiều con đường để tạo nên nhiên liệu hóa học, điển hình là đường. Hai phần liên quan chặt chẽ nhưng không khó như nhau: bước tách nước đòi hỏi nhiều năng lượng hơn và là trở ngại lớn khi con người muốn tái tạo quá trình này trong phòng thí nghiệm. [1]

Điểm quan trọng nằm ở dạng năng lượng đầu ra. Ánh nắng chỉ có mặt khi điều kiện chiếu sáng phù hợp, còn năng lượng hóa học có thể được giữ trong vật chất. Bởi vậy, lá nhân tạo không đơn thuần là một tấm thu ánh sáng khác hình dạng. Nó hướng tới việc dùng ánh sáng khởi động phản ứng hóa học, tạo ra nguyên liệu trung gian có thể tiếp tục được xử lý thành nhiên liệu hoặc hóa chất. [1]

Cobalt-phosphorus thay đổi bài toán tách nước thế nào?

Platinum có thể hỗ trợ tách nước tương đối dễ trong phòng thí nghiệm, nhưng giá cao hạn chế khả năng triển khai ở quy mô công nghiệp. Một bước tiến được bài viết của Science History Institute năm 2019 nhấn mạnh là sự xuất hiện của chất xúc tác cobalt-phosphorus rẻ hơn. Khi kết hợp với hệ điện tử phù hợp, chất xúc tác này có thể dùng khoảng 10% ánh sáng Mặt Trời để thực hiện công đoạn tách nước. [1]

Tỷ lệ 10% không nên được hiểu máy móc là lá nhân tạo tạo ra nhiên liệu hiệu quả gấp mười lần cây. Mức khoảng 1% mô tả phần ánh sáng tới được các cây hiệu quả sử dụng, còn 10% gắn với riêng công đoạn tách nước của hệ thống nhân tạo. Sản phẩm cuối cùng còn phụ thuộc vào khâu xử lý hydro. Hai con số cho thấy tiềm năng cải thiện ở một bước cụ thể, chứ không phải phép so sánh trọn vẹn giữa hai dây chuyền. [1]

Chất xúc tác cũng không phải nhiên liệu và không tự cung cấp năng lượng. Vai trò của nó là giúp phản ứng cần thiết diễn ra thuận lợi hơn khi hệ thống nhận ánh sáng và được ghép với thiết bị thích hợp. Chính sự kết hợp giữa vật liệu xúc tác và phần điện tử mới tạo thành bộ phận thu năng lượng để tách nước. [1]

Vì sao vi khuẩn là nửa còn lại của phát minh?

Thiết bị tách nước mới chỉ tạo ra hydro, chưa hoàn thành nhiên liệu hóa học mà con người muốn sử dụng. Các nhà nghiên cứu vì thế đưa hydro cho vi khuẩn xử lý tiếp. Tùy loại vi khuẩn và quá trình được khai thác, đầu ra có thể là nhiên liệu sinh học, nhựa hoặc tiền chất dùng để sản xuất dược phẩm. Một số vi khuẩn còn có thể kết hợp hydro với nitơ trong không khí để tạo phân bón chứa ammonia và chuyển sản phẩm tới rễ cây. [1]

Cấu trúc này giống một dây chuyền gồm hai bộ phận có thế mạnh khác nhau. Phần vô cơ chuyên nhận ánh sáng và giải quyết phản ứng tách nước khó khăn; phần sống đảm nhiệm hóa học phức tạp để tạo sản phẩm. Nhờ vậy, các nhà nghiên cứu không phải chế tạo một thiết bị duy nhất có khả năng bắt chước mọi chức năng của lá. Tên gọi “lá nhân tạo” vì thế nói về chức năng chuyển năng lượng hơn là hình dáng hay vật liệu. [1]

Lá nhân tạo có thật sự giống một chiếc lá?

Không nhất thiết. Một hệ thống được mô tả trong bài trông giống con tem màu đen hơn là phiến lá xanh mỏng như giấy của cây phong hay cây sồi. Nó cũng không nên bị nhầm với “lá sinh học” được tăng cường bằng vật liệu nano. Hướng nghiên cứu thứ hai giữ nguyên cây sống rồi bổ sung khả năng cảm nhận môi trường, thay vì dựng một hệ thống riêng để biến ánh sáng thành hydro. [1]

Trong một ví dụ, nhóm nghiên cứu tại MIT đưa ống nano carbon phủ polymer nhạy với picric acid vào lá rau bina. Khi cây hấp thụ chất này từ đất, sự liên kết làm thay đổi tính chất quang học của polymer; lá có thể phát tín hiệu hồng ngoại khi được chiếu laser và tín hiệu được thiết bị ghi nhận. Thay polymer có thể giúp cây phản ứng với những chất khác. Đây là cảm biến dựa trên cây sống, không phải cỗ máy sản xuất nhiên liệu từ hydro. [1]

“Tốt hơn lá cây” thực sự có nghĩa gì?

Ưu thế được nhắm tới không phải là tạo ra một chiếc lá hoàn hảo hơn ở mọi mặt. Cây thật vẫn thực hiện đồng thời vô số nhiệm vụ mà thiết bị không đảm nhận. Lá nhân tạo chỉ cố làm tốt hơn ở một mục tiêu hẹp: thu một phần lớn hơn năng lượng ánh sáng cho phản ứng tách nước, rồi chuyển nguyên liệu thu được sang một hệ sinh học chuyên tạo sản phẩm. [1]

Điều đáng chú ý của phát minh này nằm ở cách phân chia nhiệm vụ. Thay vì buộc vật liệu nhân tạo phải làm toàn bộ công việc của sự sống, hệ thống giao bước thu năng lượng cho chất xúc tác và phần tổng hợp hóa học cho vi khuẩn. Vì thế, “chiếc lá” đáng quan tâm không phải một vật bắt chước vẻ ngoài của tự nhiên, mà là một dây chuyền lai trong đó ánh sáng được chuyển thành nguyên liệu hóa học có thể dùng sau đó. [1]