Công nghệ chế tạo pin từ… virus có gì đặc biệt?

Vào năm 2009, Giáo sư về sinh học của trường đại học danh tiếng MIT, Angela Belcher, đã tới Nhà Trắng để giới thiệu một cục pin nhỏ cho Tổng thống Barack Obama. Tất nhiên đây không phải mẫu pin bình thường bởi Belcher đã sử dụng các loại virus để tạo ra các điện cực dương và âm của thỏi pin này - một bước đột phá kỹ thuật hứa hẹn sẽ làm giảm độc tính của quy trình sản xuất pin và tăng hiệu suất của chúng. Bởi vậy, Tổng thống Obama đã sẵn sàng tuyên bố đầu tư nguồn ngân sách trị giá 2 tỉ USD vào phát triển công nghệ nhằm đưa loại pin này ra thị trường trong tương lai gần.

Một thập kỷ sau khi Belcher giới thiệu pin của mình tại Nhà Trắng, quá trình lắp ráp dây chuyền đã tiến triển nhanh chóng. Nữ giáo sư đã tạo ra các loại virus có thể hoạt động kết hợp với trên 150 vật liệu khác nhau và chứng minh rằng kỹ thuật của cô có thể được sử dụng để sản xuất các vật liệu khác như pin mặt trời.

Virus được mệnh danh là “thần chết” bởi nó là sinh vật nằm giữa sự sống và cái chết: Virus mang trong mình DNA là dấu hiệu của tất cả sự sống nhưng chúng không thể sinh sản nếu thiếu vật chủ - điều này khiến chúng bị loại khỏi một số định nghĩa về cuộc sống. Tuy nhiên, như Belcher đã chứng minh, những phẩm chất này có thể được áp dụng cho công nghệ nano để sản xuất pin nhằm cải thiện mật độ năng lượng, tuổi thọ và tốc độ sạc có thể được sản xuất theo phương pháp thân thiện với môi trường.

Theo đó, loại virus được lựa chọn là M13 bacteriophage có khả năng lây truyền vi khuẩn nhưng lại không có hại với cơ thể con người, đồng thời nó còn biết phân biệt để bám vào các vật liệu đã được chỉ định. Để tạo ra các điện cực, Belcher sẽ để virus tiếp xúc với vật liệu mong muốn. Khi đó, các biến dị tự nhiên hoặc nhân tạo trong DNA sẽ giúp virus bám vào vật liệu. Belcher sau đó trích xuất các virus và cấy chúng vào trong một tế bào vi khuẩn để nhân bản hàng loạt. Quá trình này được lặp đi lặp lại nhiều lần và với mỗi lần lặp lại, virus sẽ trở thành một kiến trúc sư pin tinh chỉnh hơn. Hàng triệu virus sẽ cùng thực hiện một nhiệm vụ có thể tạo ra các vật liệu cần thiết để sản xuất hai cực pin.

Trong quy trình của Belcher, các chuỗi DNA sẽ được liên kết với nhiều nguyên tố trong bảng tuần hoàn nhằm đẩy nhanh quá trình chọn lọc phi tự nhiên. Nếu chỉ được mã hóa DNA theo một chiều, virus sẽ có xu hướng thu hút các phân tử sắt phosphate. Nhưng nếu đảo ngược lại mã hóa, virus sẽ “ưa” các phân tử coban oxit hơn. Kỹ thuật này có thể được mở rộng cho bất kỳ nguyên tố nào trong bảng tuần hoàn, miễn là tìm được chuỗi DNA phù hợp.

Kỹ thuật dây chuyền này đã được áp dụng để tạo các điện cực và sử dụng trong nhiều loại pin khác nhau. Loại pin được giới thiệu với cựu Tổng thống Obama là loại pin lithium-ion tiêu chuẩn thường thấy trong đồng hồ đeo tay hoặc được sử dụng để cung cấp năng lượng cho một đèn LED nhỏ. Tuy nhiên, trong quá trình phát triển, Belcher đã thử nghiệm với nhiều loại pin ít phổ biến hơn như lithium-air và natri-ion với lý do không muốn cạnh tranh với công nghệ lithium-ion của các nhà sản xuất uy tín.

“Chúng tôi không cố gắng cạnh tranh với công nghệ hiện tại. Chúng tôi nhìn vào câu hỏi: Sinh học có thể được sử dụng để giải quyết một số vấn đề chưa được giải quyết?”, Belcher nói.

Cho đến nay, các điện cực được lắp ráp bằng virus của Belcher có cấu trúc cơ bản ngẫu nhiên, nhưng cô và các đồng nghiệp của mình đang cố gắng sắp xếp chúng có trật tự hơn. Dù vậy, pin chạy bằng virus của cô vẫn hoạt động tốt hoặc tốt hơn so với pin có điện cực được chế tạo bằng kỹ thuật sản xuất truyền thống, bao gồm cải thiện công suất năng lượng, vòng đời và tốc độ sạc. Nhưng Belcher nói lợi ích lớn nhất của việc lắp ráp virus là nó thân thiện với môi trường. Kỹ thuật sản xuất điện cực truyền thống đòi hỏi phải làm việc với các hóa chất độc hại và nhiệt độ cao trong khi phương pháp sản xuất của cô chỉ yêu cầu vật liệu điện cực, nước ở nhiệt độ phòng và một số loại virus biến đổi gen.

Belcher chưa đưa công nghệ ra thị trường, nhưng cô và các đồng nghiệp của mình đang đề xuất thương mại hóa và các ứng dụng khác của công nghệ này. Hiện, nữ giáo sư đã đồng sáng lập hai công ty dựa trên công việc của mình với việc lắp ráp virus: Cambrios Technologies, được thành lập năm 2004, sử dụng quy trình sản xuất lấy cảm hứng từ virus để chế tạo thiết bị điện tử cho màn hình cảm ứng. Công ty thứ hai của cô, Siluria Technologies, sử dụng virus trong một quy trình chuyển đổi khí mêtan thành ethylene, một loại khí được sử dụng rộng rãi trong sản xuất.