Bằng cách phủ các lỗ nano bằng các phân tử lipid tạo ra một lớp nước giảm ma sát, họ đã cho phép các ion đi qua hiệu quả hơn nhiều trong khi vẫn duy trì tính chọn lọc cao của quá trình. Màng nguyên mẫu của họ tạo ra lượng điện năng gấp hai đến ba lần so với các công nghệ hiện tại. Phát hiện này có thể giúp đưa năng lượng thẩm thấu trở thành một nguồn năng lượng tái tạo khả thi trong thực tế.

Một bước tiến mới trong lĩnh vực “năng lượng xanh” có thể biến sự pha trộn tự nhiên giữa nước biển và nước ngọt thành một nguồn điện tái tạo mạnh mẽ hơn nhiều. Nguồn ảnh: AI/ScienceDaily.com

Năng lượng thẩm thấu, thường được gọi là năng lượng xanh, là một phương pháp mới nổi để sản xuất điện năng tái tạo bằng cách khai thác sự pha trộn tự nhiên giữa nước mặn và nước ngọt. Khi hai loại nước này gặp nhau, các ion từ nước mặn di chuyển qua một màng chọn lọc ion chuyên dụng về phía nước có độ mặn thấp hơn. Sự di chuyển này tạo ra một điện áp có thể được thu lại dưới dạng điện năng.

Mặc dù có tiềm năng, công nghệ này vẫn gặp phải những trở ngại đáng kể. Các màng được thiết kế để cho phép các ion đi qua nhanh chóng thường mất khả năng tách điện tích hiệu quả. Ngoài ra, việc duy trì độ bền cấu trúc cũng rất khó khăn. Do những hạn chế này, hầu hết các hệ thống năng lượng thẩm thấu vẫn chủ yếu được sử dụng trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm.

Lỗ nano phủ lipid giúp cải thiện dòng ion

Các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Sinh học Nano (LBEN), do Aleksandra Radenovic dẫn đầu tại Trường Kỹ thuật của EPFL, cùng với các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Liên ngành về Kính hiển vi điện tử (CIME), đã chứng minh được giải pháp cho những vấn đề này. Phát hiện của họ đã được công bố trên tạp chí Nature Energy .

Nhóm nghiên cứu đã cải thiện sự di chuyển của ion bằng cách phủ các lỗ nano bằng các bong bóng lipid nhỏ gọi là liposome. Trong điều kiện bình thường, các lỗ nano này cho phép ion đi qua với độ chính xác cao nhưng với tốc độ rất chậm. Tuy nhiên, khi được phủ lớp lipid, các lỗ nano cho phép các ion được chọn di chuyển qua dễ dàng hơn nhiều. Ma sát giảm đáng kể làm tăng khả năng vận chuyển ion và nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.

"Công trình nghiên cứu của chúng tôi kết hợp những ưu điểm của hai phương pháp chính trong thu hoạch năng lượng thẩm thấu: màng polymer, nguồn cảm hứng cho cấu trúc có độ xốp cao của chúng tôi; và các thiết bị nanofluidic, mà chúng tôi sử dụng để xác định các lỗ nano tích điện cao," Radenovic cho biết. "Bằng cách kết hợp bố cục màng có thể mở rộng với các kênh nanofluidic được thiết kế chính xác, chúng tôi đạt được hiệu quả chuyển đổi năng lượng thẩm thấu cao và mở ra con đường hướng tới các hệ thống năng lượng xanh dựa trên nanofluidic."

Bôi trơn bằng nước bên trong các lỗ nano

Lớp phủ bôi trơn được sử dụng trong nghiên cứu dựa trên màng lipid kép, những cấu trúc thường thấy trong màng của các tế bào sống. Các màng kép này tự nhiên hình thành khi hai lớp phân tử chất béo sắp xếp thẳng hàng với phần đuôi kỵ nước (hydrophobic) hướng vào trong và phần đầu ưa nước (hydrophilic) hướng ra ngoài.

Khi được áp dụng vào các lỗ nano hình thạch nhũ được nhúng trong màng silicon nitride, các đầu ưa nước hướng ra ngoài sẽ hút một lớp nước cực mỏng. Lớp nước này chỉ dày vài phân tử, nhưng nó bám chặt vào bề mặt lỗ nano và ngăn cản các ion tương tác trực tiếp với nó. Kết quả là, ma sát giảm và các ion có thể đi qua lỗ một cách trơn tru hơn.

Công suất đầu ra cao hơn từ năng lượng xanh

Để kiểm tra thiết kế, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một màng chứa 1.000 lỗ nano được phủ lipid, sắp xếp theo hình lục giác. Sau đó, họ đánh giá thiết bị trong điều kiện mô phỏng nồng độ muối tự nhiên được tìm thấy tại nơi nước biển và nước sông gặp nhau.

Hệ thống đạt được mật độ công suất khoảng 15 watt trên mỗi mét vuông. Công suất đầu ra này cao hơn khoảng 2-3 lần so với công suất mà các công nghệ màng polymer hiện nay có thể tạo ra.

Một bước tiến hướng tới các hệ thống năng lượng xanh thực tiễn

Các mô phỏng máy tính trước đây đã chỉ ra rằng việc cải thiện cả lưu lượng ion và tính chọn lọc trong các kênh nano có thể làm tăng đáng kể khả năng tạo năng lượng thẩm thấu. Tuy nhiên, các thí nghiệm chứng minh cả hai cải tiến này cùng một lúc lại rất hiếm.

"Bằng cách chứng minh cách kiểm soát chính xác hình dạng lỗ nano và các đặc tính bề mặt có thể định hình lại cơ bản quá trình vận chuyển ion, nghiên cứu của chúng tôi đưa nghiên cứu năng lượng xanh vượt ra ngoài phạm vi thử nghiệm hiệu năng và bước vào kỷ nguyên thiết kế thực sự", nhà nghiên cứu Tzu-Heng Chen của LBEN cho biết.

Tác giả chính Yunfei Teng lưu ý rằng chiến lược "bôi trơn bằng hydrat hóa" của nhóm nghiên cứu có thể có ứng dụng vượt ra ngoài các hệ thống năng lượng thẩm thấu. Ông nói: "Hành vi vận chuyển được tăng cường mà chúng tôi quan sát được, được thúc đẩy bởi sự bôi trơn bằng hydrat hóa, là phổ quát, và nguyên tắc tương tự có thể được mở rộng ra ngoài các thiết bị năng lượng xanh".

Cơ sở vật chất nghiên cứu và hình ảnh tiên tiến

Dự án này cũng dựa trên phân tích chi tiết cấu trúc lỗ nano và thành phần hóa học. Công việc này được thực hiện bởi Tiến sĩ Victor Boureau tại Trung tâm Liên ngành về Kính hiển vi điện tử (CIME) của EPFL. Sự hỗ trợ bổ sung đến từ các cơ sở nghiên cứu dùng chung của EPFL về chế tạo nano, đặc tính vật liệu và điện toán hiệu năng cao, bao gồm CMi, MHMC và SCITAS.