Đường, ánh sáng và lĩnh vực khoa học mới giúp chúng ta không phải phụ thuộc nhiên liệu hóa thạch?

Bài toán là làm thế nào để dùng 2 photon bẻ gãy được liên kết giữa 2 nguyên tử carbon?

Tháng 6 năm 2018, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đăng tải một bản thông báo ngắn gọn trên website của mình. Họ phê duyệt khoản ngân sách 100 triệu USD trong năm để tài trợ cho 22 trung tâm nghiên cứu mới của chương trình Energy Frontier (EFRC).

Energy Frontier là chương trình liên kết các phòng nghiên cứu trên khắp nước Mỹ để đi tìm lời giải cho các vấn đề năng lượng. Một trong số các phòng nghiên cứu được đặt tại Đại học Princeton, nơi sẽ có một dòng tiền 11 triệu USD đổ vào trong vòng 4 năm tới.

Nguồn tiền được dành để thúc đẩy một cuộc cách mạng, trả lời các câu hỏi khoa học về năng lượng và môi trường mà ở thời điểm này chúng ta chưa giải quyết được. Các nhà khoa học đang hướng đến việc khai thác thực vật và chất thải công nghiệp để lấy năng lượng, giúp chúng ta thoát khỏi sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường.

Nếu nỗ lực ở Đại học Princeton thành công, nó sẽ khai sinh một nhánh khoa học hoàn toàn mới gọi là Hóa quang sinh (Bioinspired Light Escalated Chemistry – BioLEC). Mục tiêu của lĩnh vực này là tìm ra cách sử dụng năng lượng của 2 photon ánh sáng để cung cấp cho phản ứng hóa học.

Nghe thì có vẻ đơn giản – chúng ta biết rằng thực vật luôn làm điều này trong quá trình quang hợp. Nhưng BioLEC phức tạp hơn nhiều so với việc chỉ chiếu đèn pin vào ống nghiệm. Các nhà khoa học đã nghiên cứu nó trong một thời gian dài. Mà cho đến nay, việc tái tạo các phản ứng hóa quang sinh này trong phòng thí nghiệm vẫn là bất khả thi.

Đến nay, việc tái tạo các phản ứng hóa quang sinh này trong phòng thí nghiệm vẫn là bất khả thi.

BioLEC bắt đầu bằng việc đi kiếm một phân tử hữu cơ từ thực vật, có thể là một phân tử đường, hoặc rượu – bất kỳ một phân tử nào chứa một chuỗi carbon và một gốc OH đều ổn. Việc này thì dễ, các phân tử loại này có đầy rẫy trong tự nhiên.

Bất cứ ai đã học qua chương trình hóa phổ thông đều biết liên kết hóa học giữa các phân tử carbon rất khó phá vỡ. Nhưng nếu chúng ta có thể tìm ra cách thêm một photon vào đó, các liên kết C-C sẽ bị yếu đi.

Và một khi phá vỡ được các liên kết đó, chúng ta sẽ có thể tạo ra nhiên liệu phản lực – về cơ bản chủ yếu là các phân tử hóa học chứa chuỗi carbon. Nghe có vẻ dễ, giả sử bạn đang có một phân tử rượu, C₂H₅OH. Công việc là bẻ gãy tất cả liên kết của carbon, ghép chúng lại và loại bỏ gốc OH dưới dạng nước.

Từ lâu, các nhà khoa học đã biết cách sử dụng năng lượng của một photon đơn lẻ để phá vỡ một số liên kết carbon. Nhưng để tạo được nhiên liệu phản lực, họ cần dùng thêm năng lượng từ photon thứ hai để phá vỡ tất cả các liên kết. Và điều này là quá khó khăn, ngay cả với những công cụ khoa học tiên tiến nhất hiện tại.

Một phần lý do vì ánh sáng cần phải được nhắm mục tiêu vào một chất xúc tác, các nhà khoa học phải kiểm soát một lượng năng lượng rất rất nhỏ, vào một thời điểm rất rất phù hợp. Có rất nhiều thứ đòi hỏi phải thật chính xác trong phản ứng này.

"Điểm mấu chốt ở đây là hóa học ở thời điểm này không thể tấn công vào những liên kết bền", giám đốc dự án BioLEC Gregory Scholes đến từ Đại học Princeton cho biết. "Một khi bạn có thể tấn công và chỉnh sửa chúng, bạn có thể nhận được một phân tử phản ứng" – đó là loại phân tử mà hệ thống (cho dù là một cái cây ngoài vườn hay máy bay phản lực) có thể dùng làm nguồn năng lượng.

Một khi phá vỡ được các liên kết C-C, chúng ta sẽ có thể tạo ra nhiên liệu phản lực giá rẻ.

Hãy tưởng tượng những nguyên tử rượu giống như 2 cuốn sách mới toanh mà nhà sách vừa gửi cho bạn. Mới toanh là nó vẫn còn bọc trong màng nilon. Và bây giờ, bạn muốn kết hợp cả 2 cuốn sách lại để tạo thành một nguồn năng lượng cực lớn.

Bạn biết chính xác mình phải sắp xếp các trang của 2 cuốn sách này vào nhau như thế nào. Bạn cũng đã biết cách lột bao bì nilon (đó là gốc OH). Nhưng vấn đề là, bạn không thể xé cuốn sách ra từng trang bởi keo dán gáy của chúng khá chắc. Không thể tháo gáy cuốn sách, bạn không thể ghép chúng lại được.

BioLEC chính là ngành khoa học muốn tháo gáy cuốn sách. Một khi các nhà nghiên cứu tìm ra lời giải, một lĩnh vực hóa học hoàn toàn mới sẽ ra đời. Nó sẽ cho phép chúng ta sản xuất nhiên liệu phản lực từ bất kỳ thứ gì trong tự nhiên.

Chiếu sáng vào một cây mía, và bạn sẽ có được nguồn năng lượng sạch, dồi dào và giá rẻ. Chúng ta cũng có thể sử dụng kỹ thuật mà Scholes và nhóm nghiên cứu của anh đang phát triển để phá vỡ chất thải công nghiệp lấy năng lượng.

Vì vậy, BioLEC không chỉ làm sạch toàn bộ hoạt động sản xuất công nghiệp của chúng ta – mà còn biến rác thải thành các hợp chất sạch, phân hủy sinh học và nhiên liệu. Sự phong phú của các nguyên vật liệu rẻ tiền cũng sẽ làm giảm chi phí năng lượng.

Mặc dù vậy, điều này không làm giảm lượng khí thải nhà kính phát sinh từ việc đốt các nhiên liệu khi chúng ta có được chúng. Nhưng đó vẫn là một sự tiến bộ lớn so với khai thác và đốt nhiên liệu hóa thạch.

Đến cây cối còn biết cách hấp thụ photon thứ hai, tại sao con người không thể?

"Chúng tôi cho rằng nghiên cứu của chúng tôi sẽ thành công, bởi vì các nguyên tắc tương tự đã xảy ra trong tự nhiên như quá trình quang hợp", Scholes nói. "Trong khi chúng tôi chưa bắt chước được tự nhiên một cách trực tiếp, quá trình quang hợp đã cung cấp một bằng chứng về nguyên tắc [rằng nó cũng có thể xảy ra trong phòng thí nghiệm]".

"Nghe cũng rất đơn giản đấy chứ. "Ồ, chỉ cần hấp thụ ánh sáng 2 lần là được", anh nói tiếp. "Nhưng thực tế khó khăn hơn nhiều. Chúng tôi đang phải vẽ ra cả đống chiến lược và việc này cần nhiều người mới được".

Tại Đại học Princeton, Scholes đang tập hợp một nhóm các chuyên gia đến từ nhiều lĩnh vực như hóa học, kỹ thuật, vật lý năng lượng cao để cùng giải quyết vấn đề. Đại học Pinceton cũng hợp tác với Phòng Gia tốc điện tử laser tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven, một trong 2 cơ sở tại Mỹ đang phát triển kỹ thuật phân tán xung có thể phá vỡ các liên kết của carbon.

Phân tán xung về cơ bản giống với việc chiếu kính lúp dưới ánh sáng mặt trời để giết những con kiến. Thay ánh sáng mặt trời bằng một chùm laser cực mạnh, và những con kiến lúc này là các phân tử nhỏ bé, bạn sẽ có được kỹ thuật phân tán xung. Trong đó, xung laser va chạm với các phân tử, tiếp thêm năng lượng cho chúng để phản ứng và phá vỡ các liên kết hóa học.

Các phản ứng dạng này đang được nghiên cứu trên những khung thời gian cực ngắn, xuống đến phần tỷ của một giây. Qua đó, nhóm BioLEC có thể nhìn vào các bước trung gian rất nhỏ trong phản ứng để hiểu điều gì sẽ xảy ra khi họ bắn năng lượng vào chất xúc tác. Và từ cơ sở, họ sẽ tìm cách làm cho các phản ứng mạnh hơn, phá vỡ được những liên kết carbon cứng đầu.

BioLEC không chỉ làm sạch toàn bộ hoạt động sản xuất công nghiệp của chúng ta – mà còn biến rác thải thành các hợp chất sạch, phân hủy sinh học và nhiên liệu.

Đó là một nhiệm vụ khó khăn. Ở giai đoạn đầu này, chưa thể biết liệu Scholes và đội của anh có thể hoàn thành công việc trong 4 năm với 11 triệu USD hay không. Nhưng Scholes có vẻ lạc quan.

Xét cho cùng, tự nhiên đã cho chúng ta bằng chứng về thành công. Đến cây cối còn biết cách hấp thụ photon thứ hai, tại sao con người không thể?