Một nhóm các nhà hóa học tại Đại học Iowa vừa phát triển một loại tinh thể kích hoạt bằng ánh sáng có khả năng hút hơi nước từ không khí và giữ nước bên trong những khoang siêu nhỏ ở cấp độ nano, mở ra hướng đi mới cho công nghệ khai thác nước từ khí quyển.
Vật liệu này được tạo nên từ các khung cơ–kim (MOF), tức những cấu trúc xốp hình thành khi các nguyên tử kim loại liên kết với các phân tử hữu cơ. Điểm đặc biệt là mạng tinh thể ban đầu hoàn toàn không có các khoang thích hợp để chứa nước.
Bước ngoặt xuất hiện khi cấu trúc được chiếu tia cực tím (UV). Ánh sáng đã kích hoạt một sự tái cấu trúc hóa học bên trong tinh thể, làm thay đổi kiến trúc nội tại của nó và tạo ra những khoang tí hon có khả năng giữ lại các phân tử nước từ không khí.
Theo các nhà nghiên cứu, quá trình này biến vật liệu thành một dạng “máy thu nước thể rắn” hoạt động chỉ bằng ánh sáng Mặt Trời, không cần nguồn điện ngoài hay hệ thống máy móc phức tạp.
Nhóm nghiên cứu đã quan sát hiện tượng này ở cấp độ vi mô bằng kỹ thuật nhiễu xạ tia X, qua đó phát hiện các phân tử nước đã xuất hiện bên trong những khoang mới hình thành ngay sau khi tinh thể được chiếu sáng.
Ánh sáng mở ra những “bẫy nước”
“Chúng tôi đã tìm ra và chứng minh được một phương pháp thu giữ và lưu trữ nước chỉ cần đến ánh sáng Mặt Trời,” ông Leonard MacGillivray, giáo sư thỉnh giảng thuộc Khoa Hóa học và cựu trưởng khoa, cho biết.
“Bạn có thể vận chuyển mạng tinh thể này và giải phóng lượng nước được lưu trữ bất cứ khi nào cần. Đó chính là lý do đây là một bước tiến rất lớn.”
Các nhà nghiên cứu cho biết cơ chế hoạt động của vật liệu dựa trên sự chuyển đổi cấu trúc do tia UV kích hoạt. Những cầu nối hữu cơ bên trong MOF tự sắp xếp lại thành một cấu hình mới, mở ra các khoảng trống đóng vai trò như “kho chứa” cho các phân tử nước.
Trong điều kiện phòng thí nghiệm, hệ thống hiện có thể lưu trữ lượng nước tương đương khoảng 5% khối lượng của chính nó. Dù con số này còn khá nhỏ ở cấp độ tinh thể đơn lẻ, nhóm nghiên cứu tin rằng nếu mở rộng cấu trúc ở quy mô lớn hơn, khả năng thu nước tổng thể có thể tăng đáng kể.
Thu gom nước bằng năng lượng Mặt Trời
Nhóm nghiên cứu tin rằng ý tưởng này có thể góp phần tạo ra các công nghệ thu nước mới cho những khu vực đang đối mặt với tình trạng khan hiếm nước nghiêm trọng.
“Lý do chúng tôi dùng từ ‘thông minh’ là vì quá trình thu nước được kích hoạt một cách chủ động bằng ánh sáng,” bà Nevindee Samararathne Muhandiramge, thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết.
“Tia UV luôn sẵn có từ ánh sáng Mặt Trời. Vì vậy, bước tiếp theo sẽ là xác định giới hạn hấp thụ nước tính theo phần trăm khối lượng và cố gắng nâng giới hạn đó lên cao nhất có thể.”
Các nhà khoa học cũng cho biết các tinh thể này có khả năng tự lắp ráp, mở ra triển vọng sản xuất vật liệu ở quy mô lớn trong tương lai.
Tuy nhiên, họ nhấn mạnh rằng phiên bản hiện tại mới chỉ là minh chứng ban đầu cho ý tưởng. Vật liệu đang sử dụng cadimi như nguyên tố thử nghiệm, vì vậy cần phải thay thế bằng các vật liệu an toàn hơn trước khi ứng dụng thực tế.
Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tập trung cải thiện hiệu suất hấp thụ nước và kiểm tra xem hệ thống có thể hoạt động ổn định ngoài môi trường phòng thí nghiệm hay không.
Nghiên cứu này cho thấy một hướng phát triển mới cho các vật liệu thu hoạch nước: kết hợp hóa học cấu trúc với khả năng phản ứng linh hoạt trước môi trường, đồng thời sử dụng ánh sáng Mặt Trời như nguồn năng lượng duy nhất.
Công trình mang tên Photo capture of water by single crystals of a nonporous metal−organic material đã được công bố trên tạp chí Journal of the American Chemical Society.
Theo IE
