Vi khuẩn lam có thể cấp điện cho thiết bị điện tử nhỏ

Các nhà nghiên cứu đã in phun một loại “mực sinh học” từ vi khuẩn lam lên một bề mặt dẫn điện để tạo thành một dạng pin quang điện sinh học (biophotovoltaic cell).

Không giống như những loại pin thông thường, pin làm từ vi khuẩn tảo lam có thể phát điện trong cả bóng tối và ánh sáng nên được kỳ vọng sẽ trở thành loại nguồn cấp năng lượng thân thiện với môi trường cho các thiết bị ít tiêu tốn điện năng như các cảm biến sinh học, và thậm chí có thể in thành một loại giấy dán tường năng lượng sinh học.

Các nhà khoa học ở Cao đẳng Hoàng gia London và Đại học Cambridge đã công bố nghiên cứu về loại pin quang điện sinh học trên tạp chí Nature Communications.

Về tổng thể, pin quang điện sinh học gồm nhiều dạng vi khuẩn lam hoặc tảo quang hợp có khả năng chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng. Tuy nhiên, trong bóng tối, các sinh vật này vẫn có thể tiếp tục tạo ra năng lượng bằng cách chuyển hóa các nguồn dự trữ sẵn bên trong chúng. Vì vậy khi kết nối các sinh vật này với một điện cực phi sinh học, chúng có thể hoạt động như một “tấm pin mặt trời sinh học” khi hấp thu ánh sáng hoặc “ắc quy sinh học mặt trời” trong bóng tối.

Giấy dán tường năng lượng sinh học làm từ tảo lam.

“Thiết bị quang điện sinh học của chúng tôi có thể phân hủy sinh học và trong tương lai có thể là pin mặt trời dùng một lần có thể phân hủy trong các bể ủ hoặc trong vườn của chúng ta”, đồng tác giả Marin Sawa tại ĐH Nghệ thuật London và Cao đẳng Hoàng gia London nói với Phys.org. "Rẻ, dễ tiếp cận, thân thiện với môi trường, pin có thể phân hủy sinh học – không có kim loại nặng hay nhựa. Đây chính là những gì chúng ta và môi trường cần".

Thách thức lớn nhất hiện nay đối với pin quang điện sinh học là sản xuất chúng ở quy mô lớn. Thông thường, các sinh vật được lắng đọng trên một bề mặt điện cực ở một bể chứa chất lỏng lớn. Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu mô tả kỹ thuật in phun có thể được dùng để in cả bề mặt dẫn điện của ống nano cacbon lẫn lớp vi khuẩn lam phía trên nhưng vẫn giữ cho các sinh vật này sống sót. Cách làm này không chỉ giúp việc chế tạo pin một cách nhanh hơn mà còn kết thành khối nhanh hơn và cho phép thiết kế pin chính xác hơn.

Với những ưu điểm trên, pin quang điện sinh học có thể tạo ra năng lượng tối đa gấp ba đến bốn lần loại pin chế tạo theo phương pháp cũ. Để minh họa, các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng chín tấm pin kiểu mới có thể cấp điện cho đồng hồ điện tử và làm đèn LED sáng chớp nhoáng. Loại pin này có thể tạo ra năng lượng liên tục trong suốt 100 giờ liên tục cả lúc sáng và tối.

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu dự định phát triển các tấm pin mặt trời sinh học mỏng dạng phim (thin-film biophotovoltaic – BPV) hoặc nguồn cấp điện tích hợp trong chẩn đoán y tế và giám sát môi trường – đều có thể sử dụng cho các cảm biến sinh học sử dụng một lần và thân thiện với môi trường. Một ứng dụng tiềm năng khác là giấy dán tường năng lượng sinh học. Sawa nói: “Loại giấy dán tường năng lượng mặt trời này sẽ biến bề mặt nội thất thành máy thu năng lượng để đưa tới các thiết bị năng lượng thấp như đèn LED, cảm biến sinh học – có thể dùng để giám sát chất lượng không khí trong nhà".

Các nhà nghiên cứu cũng hy vọng cải thiện năng suất điện của pin bằng nhiều cách như cải tiến tính dẫn điện của mạch, tối ưu hóa thiết kế pin và sử dụng các sinh vật có độ đàn hồi cao hơn.