Thiết bị siêu nhỏ khử trùng nước nhanh chóng và hiệu quả

Ở nhiều nơi trên thế giới, người ta thường có thói quen đun sôi nước nhằm đảm bảo an oàn cho sức khỏe. Bên cạnh đó, phương pháp tiêu diệt vi khuẩn có trong nước bằng tia tử ngoại hay tia cực tím (UV) độc hại khi đặt chai nhựa chứa nước nhiễm khuẩn dưới ánh nắng mặt trời cũng được sử dụng.

Tuy nhiên, do trên thực tế, các tia UV chỉ chiếm 4% các bức xạ UV tới bề mặt của Trái đất nên phương pháp khử trùng nguồn nước ô nhiễm bằng tia UV sẽ rất mất thời gian, kéo dài từ 6 đến 48 giờ đồng hồ. Chính vì vật, rất ít người lựa chọn phương pháp này.

Mới đây, một dự án nghiên cứu hợp tác giữa Phòng thí nghiệm gia tốc quốc gia SLAC và Đại học Stanford đã thành công trong việc chế tạo một thiết bị có cấu trúc nano với kích thước chỉ bằng một nửa kích thước của một con tem bưu chính. Thiết bị mới sử dụng tia quang phổ mặt trời có thể quan sát thấy vốn chiếm 50% năng lượng của chùm sáng trong ánh sáng mặt trời để khử trùng nước nhanh chóng, hiệu quả hơn rất nhiều so với phương pháp sử dụng tia UV.

Trong thí nghiệm, ánh sáng mặt trời khi được chiếu lên trên bề mặt thiết bị siêu nhỏ sẽ kích thích sự hình thành nên hydro peroxide (hay còn gọi là nước oxy già) cùng nhiều loại hóa chất khử trùng khác, giúp tiêu diệt đến hơn 99,999% vi khuẩn chỉ trong khoảng 20 phút. Sau khi đã loại bỏ hết tạp khuẩn khỏi nguồn nước, các loại hóa chất “sát thủ” này sẽ nhanh chóng tan biến, để lại nước giờ đã trở thành nước tinh khiết về mặt vi sinh.

"Thiết bị mới của chúng tôi có hình dáng giống một tấm kính hình chữ nhật màu đen. Chúng tôi chỉ cần đặt thiết bị vào nguồn nước cần làm sạch. Sau đó, dước tác động của ánh nắng mặt trời, nước sẽ được tiệt trùng một cách nhanh chóng hiệu quả", Chong Liu, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ đồng thời là tác giả chính của báo cáo cho biết.

Quan sát dưới kính hiển vi điện tử cho thấy bề mặt của thiết bị trông giống như dấu vân tay với nhiều đường chỉ sắp xếp đan xen vào nhau. Những đường kẻ chỉ thực chất là những tấm phim rất mỏng được các nhà nghiên cứu gọi với cái tên "nanoflakes" của molybdenum disulfide - một loại vật liệu cấu tạo dạng lớp với các cạnh được xếp chồng lên nhau, gợi lên hình ảnh của các bức tường dày đặc trong mê cung. Trên đỉnh thiết bị là tấm kính hình chữ nhật màu đen.

Molybdenum disulfide là một chất bôi trơn công nghiệp. Tuy nhiên, cũng giống như hầu hết các loại vật liệu khác, molybdenum disulfide thể hiện các tính chất hoàn toàn khác nhau khi tồn tại ở dạng màng ngăn có độ dày chỉ ở mức vài nguyên tử. Và trong trường hợp này, nó đóng vai trò của một chất quang xúc tác. Theo đó, ánh sáng mặt trời chiếu xuống sẽ kích thích các electron trên bề mặt vật liệu, làm cho chúng di chuyển khỏi vị trí ban đầu, tạo nên các lổ hổng. Các electron và các "lỗ hổng" do chúng để lại sẽ cùng tham gia vào các phản ứng hóa học.

Các nhà khoa học đã chế tạo thành công những “bức tường” molybdenum disulfide với độ dày đạt mức lý tượng, đủ để có thể hấp thụ đầy đủ những tia sáng mặt trời có thể quan sát bằng mắt thường. Những “bức tường” siêu nhỏ với lớp đồng mỏng được đặt bên trên đóng vai trò như chất quang xúc tác. Các nhà nghiên cứu đã tận dụng thành công nguồn ánh sáng mặt trời để kích hoạt chính xác các phản ứng cần thiết để sản xuất ra một "loại ôxy phản ứng" có tính chất giống hydro peroxide vốn được sử dụng làm thuốc khử trùng trong y tế, từ đó, giúp tiêu diệt các loại vi khuẩn tồn tại trong nước.

Vật liệu molybdenum disulfide có giá thành rẻ và dễ sản xuất - đặc điểm được xem là yếu tố quan trọng đối với ngành công nghiệp sản xuất thiết bị y tế sử dụng rộng rãi ở các nước đang phát triển, Cui cho biết. Bên cạnh đó, khả năng hấp thụ bước sóng năng lượng mặt trời của molybdenum disulfide cũng cao hơn rất nhiều so với những chất quang xúc tác thông thường khác.

Trên thực tế, công nghệ mới chưa hẳn là một giải pháp hoàn thiện do nó không có khả năng loại bỏ các tạp chất là những hóa chất ô nhiễm có trong nước. Tính đến thời điểm này, thiết bị đã được thử nghiệm trên ba chủng vi khuẩn, mặc dù vậy, không có lý do để nghi ngờ khả năng tiêu diệt các chủng vi khuẩn hay các loại virus khác của thiết bị này. Quy mô thử nghiệm cũng mới dừng lại ở việc khử trùng nguồn nước chứa vi khuẩn trong phạm vi phòng thí nghiệm chứ không phải những nguồn nước bị ô nhiễm nghiêm trọng ở nhiều khu vực trên thế giới.

Được biết Liu còn tham gia vào một dự án hợp tác với giáo sư Cui nhằm mục đích phát triển bộ lọc không khí - thiết bị cần thiết được sử dụng trong điều kiện thời tiết có nhiều sương mù. Cô cho biết: "Mục tiêu của chúng tôi là giải quyết các vấn đề về ô nhiễm môi trường, từ đó, giúp bảo vệ, nâng cao sức khỏe cũng như chất lượng cuộc sống của con người”.

Báo cáo kết quả nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Nature Nanotechnology.