Các nhà khoa học châu Âu vừa công bố một bước tiến mới trong khai thác năng lượng xanh dương (blue energy) – nguồn điện tiềm năng sinh ra từ sự hòa trộn giữa nước ngọt và nước mặn tại cửa sông. Nghiên cứu do nhóm tại Phòng thí nghiệm Sinh học Quy mô Nano (LBEN), thuộc Trường Kỹ thuật của EPFL (Thụy Sĩ), thực hiện và được đăng trên tạp chí Nature Energy.

Về nguyên lý, khi nước sông đổ ra biển, sự chênh lệch nồng độ muối tạo ra dòng di chuyển tự nhiên của các ion. Nếu đặt một màng chọn lọc ion giữa hai môi trường này, sự di chuyển có kiểm soát của ion có thể tạo ra hiệu điện thế và phát điện. Tuy nhiên, trong thực tế, việc thương mại hóa công nghệ này gặp nhiều khó khăn.

Thách thức lớn nhất là làm sao để các ion di chuyển nhanh mà vẫn đảm bảo tính chọn lọc cao. Trong nhiều vật liệu màng hiện nay, tốc độ và độ chính xác thường “đánh đổi” lẫn nhau: ion đi càng nhanh thì khả năng tách điện tích càng giảm. Ngoài ra, hệ thống còn phải đủ bền để chịu được áp suất, dòng chảy và thời gian vận hành dài.

Để giải quyết bài toán này, nhóm nghiên cứu đã tìm đến các kênh siêu nhỏ gọi là nanopore. Bình thường, các lỗ nano này cho phép ion đi qua rất chính xác nhưng khá chậm. Bước đột phá nằm ở việc phủ lên bề mặt nanopore những “bong bóng” siêu nhỏ làm từ phân tử lipid – vật liệu tương tự cấu trúc màng tế bào sinh học.

Hình minh họa: scitechdaily.com

Lớp lipid kép này có phần ưa nước hướng ra ngoài, kéo theo một lớp nước cực mỏng – chỉ dày vài phân tử – bám sát bề mặt lỗ nano. Lớp nước này đóng vai trò như chất “bôi trơn”, ngăn ion tiếp xúc trực tiếp với thành lỗ, từ đó giảm ma sát và giúp ion di chuyển hiệu quả hơn. Cơ chế này được gọi là “bôi trơn hydrat hóa”.

Để kiểm chứng, các nhà khoa học chế tạo 1.000 nanopore phủ lipid, sắp xếp theo mô hình lục giác, và thử nghiệm trong điều kiện mô phỏng nơi nước sông hòa vào nước biển. Kết quả đạt mật độ công suất khoảng 15 watt/m² – cao hơn 2–3 lần so với các công nghệ màng polymer hiện nay.

Theo nhóm nghiên cứu, việc kiểm soát chính xác hình dạng và tính chất bề mặt của nanopore đã thay đổi căn bản cách ion di chuyển trong hệ thống. Điều này giúp lĩnh vực năng lượng xanh dương chuyển từ giai đoạn thử nghiệm sang giai đoạn thiết kế tối ưu hóa hiệu suất.

Không chỉ dừng ở khai thác năng lượng cửa sông, nguyên lý “bôi trơn hydrat hóa” còn có thể ứng dụng trong nhiều công nghệ nano khác. Nếu tiếp tục được hoàn thiện, công nghệ này có thể biến nguồn năng lượng tự nhiên dồi dào tại các cửa sông trên thế giới thành một phần đáng kể trong cơ cấu năng lượng sạch tương lai.

nttvy (https://scitechdaily.com/)