Xing Xie cầm một ví dụ về một con chip. Ảnh: Công nghệ Georgia

Các nhà nghiên cứu của Viện Công nghệ Georgia đã tìm ra cách sử dụng những cú sốc điện nhỏ để khử trùng nước, giảm mức tiêu thụ năng lượng, chi phí và tác động đến môi trường. Công nghệ này có thể được tích hợp vào lưới điện hoặc thậm chí chạy bằng pin.

Xing Xie , Carlton S. Wilder Trợ lý Giáo sư tại  Trường Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Water vào tháng Giêng.

Nội địa hóa điện

Mặc dù phương pháp xử lý điện trường thông thường (CEFT) được áp dụng để thanh trùng thực phẩm, nhưng nó không được sử dụng rộng rãi để khử trùng nước uống vì chi phí tương đối cao. Khi nước và vi khuẩn tiếp xúc với điện, màng tế bào vi khuẩn hoạt động giống như một tụ điện trong mạch điện. Thông thường, trong CEFT, độ dẫn điện thấp của nước có nghĩa là các xung nano giây sẽ không sạc màng đủ nhanh để tiêu diệt vi khuẩn.

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một điện trường tăng cường cục bộ (LEEFT) mang điện trực tiếp đến vi khuẩn. Các điện cực có các đầu nano vàng tích tụ các điện tích tập trung ngay lập tức khi được kết nối với điện, cho phép các điện tích di chuyển đến màng và tiêu diệt vi khuẩn nhanh hơn nhiều.

Việc khử hoạt tính vi khuẩn cực nhanh này chỉ bằng cách sử dụng các xung nano giây là một điều bất ngờ bởi vì về mặt lý thuyết, các xung nano giây quá ngắn để tiêu diệt vi khuẩn trong phương pháp xử lý điện trường thông thường vì màng cần có thời gian để sạc điện. Nhưng với các cấu trúc nano và cấu trúc nano của LEEFT, các tế bào vi khuẩn có thể được sạc trực tiếp bằng kim loại nano, nhanh chóng khử trùng nước.

Đổi mới điện

Để thử nghiệm công nghệ này, họ đã chế tạo các hạt nano vàng trên cạnh điện cực của một con chip. Sau đó, họ thêm vi khuẩn mô hình Staphylococcus vào con chip, một loại vi khuẩn thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm và thường được tìm thấy trong các hệ thống nước. Tiếp theo, họ áp dụng các xung điện và xem vi khuẩn phản ứng như thế nào trong thời gian thực dưới kính hiển vi.

Khi điện được áp dụng ở mức 40 kilovolt/cm trong 200 nano giây, 95% nêm nano đã tiêu diệt thành công vi khuẩn. So với EFT thông thường, LEEFT giảm cường độ trường chiết trung được áp dụng xuống tám lần — và rút ngắn thời gian điều trị xuống 1 triệu lần.

Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng ngay cả các xung nano giây cũng có thể tiêu diệt vi khuẩn trong LEEFT chứ không phải các trường hợp khác. Quá trình khử nhiễm gần như tức thời này giúp giảm lượng điện cần thiết để khử trùng nước, khiến đây trở thành một lựa chọn vệ sinh hợp lý và hướng đến một tương lai trong đó việc sản xuất nước sạch có thể ít gây hại hơn cho môi trường.