Giới khoa học Trung Quốc biến nước thải thành vật liệu bán dẫn

Các nhà khoa học Trung Quốc đã tìm ra biện pháp chiết xuất hóa chất hữu ích từ nước bị nhiễm kim loại nặng để sản xuất vật liệu bán dẫn có giá trị một cách bền vững, thân thiện với môi trường.

Theo báo Bưu điện Hoa Nam buổi sáng, nghiên cứu này do Giáo sư Gao Xiang tại Trung tâm Nghiên cứu Sinh học Tổng hợp Thâm Quyến thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Giáo sư Lu Lu tại Học viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân dẫn đầu, vừa được công bố trên Tạp chí Nature Sustainability hôm 16/10.

Chất bán dẫn – loại chip cơ bản làm nền tảng cho ngành công nghệ cao – thường được sản xuất bằng phương pháp hóa học hoặc vật lý trong môi trường siêu sạch. Tuy nhiên, vật liệu dùng để chế tạo chất bán dẫn có thể được sản xuất bằng vi khuẩn biến đổi gien trong nước thải và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn để sản xuất màn hình kỹ thuật số thế hệ mới, pin Mặt Trời và thậm chí trong cả y học.

Tuy nhiên, do thành phần đa dạng và phức tạp, việc sử dụng nước thải công nghiệp làm chất nuôi dưỡng vi khuẩn đã trở thành thách thức. Ngoài ra, năng lực sản xuất hạn chế đã dẫn đến chi phí cao hơn 100 lần giá vàng. Để tìm ra phương pháp hữu hiệu hơn, các nhà nghiên cứu đang tính đến việc chuyển đổi các chất ô nhiễm trong nước thải thành các chất bán dẫn sinh học lai, được tạo thành từ các thành phần sinh học và phi sinh học.

Nhóm nghiên cứu đã chọn Vibrio natriegens – một loại vi sinh vật biển thân thiện với nước mặn – để bắt đầu tạo ra vi khuẩn biến đổi gien. Giáo sư Gao cho biết Vibrio natriegens là một trong những vi khuẩn công nghiệp phát triển nhanh nhất, có thể phát triển nhanh gấp đôi so với E coli được sử dụng phổ biến.

“Vibrio natriegens có thể phát triển mạnh trong môi trường có độ mặn cao và trong nước thải. Chúng có thể sử dụng hơn 200 loại vật liệu hữu cơ làm chất dinh dưỡng, bao gồm đường, rượu, axit amin và axit hữu cơ, khiến chúng trở thành ứng cử viên lý tưởng cho nghiên cứu này”, ông nói thêm.

Sau đó, nhóm nghiên cứu đã khử sunfat cho Vibrio natriegens, “huấn luyện” chủng này hấp thụ trực tiếp sunfat từ môi trường và tạo ra khí H2S, sau đó được kết hợp với các i-on kim loại trong nước thải để tạo ra các hạt nano bán dẫn. Phương pháp này tỏ ra linh hoạt và có thể áp dụng cho nhiều ion kim loại khác nhau, thu được các hợp chất như cadmium sulphide, chì sunfua và thủy ngân sunfua.

Các hạt nano sau đó được cố định trên bề mặt vi khuẩn, tạo thành các hạt sinh học bán dẫn. Khi tiếp xúc với ánh sáng, vật liệu bán dẫn sẽ hấp thụ năng lượng Mặt Trời và chuyển hóa thành electron, cung cấp thêm năng lượng cho vi khuẩn.

Trong thí nghiệm sử dụng các chất lai sinh học để làm sạch dung dịch nước thải, 99% ion cadmium được chiết xuất và chuyển thành các hạt cadmium sulphide.

Những loại hạt nano này – còn được gọi là chấm lượng tử – vừa mang lại cho một nhóm nhà khoa học khác giải thưởng Nobel hóa học năm nay.

“Sau một chu trình hoàn chỉnh, các nhà khoa học có thể thu thập các chất sinh học trong nước thải thông qua quá trình lọc hoặc lắng để chiết xuất vật liệu bán dẫn. Hệ thống lai sinh học này có thể là phương pháp hiệu quả, tiết kiệm chi phí để sản xuất các chấm lượng tử có giá trị cao”, ông Gao nói.

Ngoài tăng sinh trong nước thải, biohybrid cũng chuyển đổi các chất ô nhiễm hữu cơ thành 2,3-butanediol (BDO), một loại hóa chất có giá trị được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực mỹ phẩm, nông nghiệp và chăm sóc sức khỏe.

“Năng lượng bổ sung được tạo ra bởi các hạt nano thông qua việc hấp thụ ánh sáng đã cải thiện hiệu suất tổng hợp của các biohybrid và tốc độ chuyển đổi chất hữu cơ trong nước thải”, ông Gao nói.

Thông thường, tất cả năng lượng cần thiết cho sự phát triển của vi khuẩn và sản xuất BDO đều do chính vi khuẩn này cung cấp, bao gồm quá trình tự trao đổi chất và tiêu hóa chất hữu cơ.

Các thử nghiệm cho thấy dưới ánh sáng nhân tạo, các vi khuẩn sinh học tạo ra BDO nhanh gấp đôi so với vi khuẩn chưa biến đổi gien, với tỷ lệ chuyển đổi carbon tăng 26%.

Còn ở thí nghiệm được tiến hành trong lò phản ứng, các giống sinh học lai đã được chế tạo thành công bằng cách sử dụng nước thải công nghiệp thực tế, đạt được tốc độ sản xuất BDO là 13 gram/lít, vượt qua các nghiên cứu trước đó.

Nhóm nghiên cứu cũng đang khám phá các biện pháp khác để mở rộng quy mô phản ứng.

“Nước thải công nghiệp thường có độ trong kém. Chúng tôi đang nghiên cứu các lò phản ứng có diện tích bề mặt lớn hơn để đảm bảo đủ ánh sáng”, ông Gao nói và cho rằng sự thành công của dự án nhờ vào lộ trình thử nghiệm cẩn trọng.