Pin nhiên liệu sinh học: Năng lượng điện từ cơ thể

Điều này nghe có vẻ huyễn hoặc, nhưng Tiến sĩ Serge Cosnier cùng đồng nghiệp tại Trường đại học Joseph Fourier đã chế tạo được một thiết bị giúp điều huyễn hoặc này thành sự thật.

Thiết bị của họ, được gọi là pin nhiên liệu sinh học, sử dụng glucose và oxygen cô đặc có trong cơ thể người để phát điện. Họ là nhóm khoa học đầu tiên trên thế giới chứng minh thiết bị này làm việc hiệu quả khi cấy vào 1 con vật sống.

Nếu đúng như kế hoạch, trong vòng 1-2 thập niên tới, pin nhiên liệu sinh học có thể được dùng để cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị cấy ghép y khoa -  từ những bộ cảm biến và thiết bị phân phối thuốc cho tới cơ phận nhân tạo. Mọi việc cần làm để "chạy" chúng là… nhâm nhi 1 thỏi sôcôla hoặc uống 1 lon nước ngọt.

Pin nhiên liệu sinh học (biofuel cells) có thể đẩy mạnh một cuộc cách mạng trong cơ phận nhân tạo và ngành lắp ghép bộ phận giả vào cơ thể giúp thay đổi cuộc sống của hàng chục ngàn người trên thế giới mỗi năm. Thế hệ mới của cơ phận chạy điện và nhân tạo hiện đang được phát triển - bao gồm tim, thận và cơ vòng bàng quang - và việc nghiên cứu đã bắt đầu với chi giả chức năng hoàn chỉnh như tay, ngón tay và thậm chí là mắt. Nhưng, tất cả chúng đều cần điện để hoạt động.

Nhiều loại pin hiện nay khá tốt đối với những cấy ghép không cần năng lượng, nhưng lại mau chóng cạn nguồn điện - đó không chỉ là sự bất tiện mà là sự hạn chế cơ bản. Ngay cả những thiết bị không tốn nhiều điện như máy điều hòa nhịp tim cũng có thời gian vận hành nhất định vì chúng lệ thuộc vào pin - thông thường thiết bị này cần thay pin 5 năm/lần sau cấy ghép.

Pin nhiên liệu sinh học được làm ra từ ống nano carbon chứa enzyme.

Nghiên cứu ở Mỹ cho thấy, cứ 1 trong 5 người ở độ tuổi 70 được gắn máy điều hòa nhịp tim sẽ sống được thêm 20 năm - nghĩa là cần thêm 3 lần phẫu thuật để thay pin sau lần đầu. Và mỗi lần phẫu thuật sẽ có những rủi ro khác nhau.

Những thiết bị khác như thận, chi và mắt nhân tạo có nhu cầu năng lượng cao hơn, vì thế người sử dụng sẽ phải thay nguồn năng lượng cho chúng vài tuần một lần để giữ chúng làm việc. Đây là điều bất cập trong việc sử dụng pin cho các loại thiết bị này.

Và đó cũng là lý do để pin nhiên liệu sinh học của Tiến sĩ Cosnier cùng đồng nghiệp ra đời. Nhóm Cosnier là một trong số các nhà nghiên cứu khắp nơi trên thế giới đang phát triển công nghệ với hy vọng loại bỏ hạn chế cố hữu này.

Dịch cơ thể

Thật ra, pin năng lượng sinh học đơn giản đến khó tin. Chúng được cấu thành gồm 2 điện cực đặc biệt: 1 có khả năng loại electron từ glucose, cái kia có khả năng chuyển electron tới các phân tử oxygen và hydrogen, tạo ra nước.

"Nhúng" 2 điện cực này vào dung dịch chứa glucose và oxygen sẽ xảy ra phản ứng tách electron khỏi glucose và hút electron vào oxygen. Gắn kết 2 điện cực này với một mạch điện, chúng sẽ tạo ra một lưới dòng electron từ điện cực này sang điện cực kia thông qua mạch điện - kết quả là dòng điện được tạo ra.

Cục pin nhiên liệu sinh học nhỏ xíu sẽ được cấy vào cơ thể để biến glucose và oxygen thành điện.

Glucose và oxygen là 2 thành phần có trong cơ thể con người, vì thế theo lý thuyết, pin nhiên liệu sinh học có thể hoạt động vô hạn. Tiến sĩ Cosnier cho biết: "Pin thông thường sẽ tiêu thụ điện năng tích trong chúng, khi hết điện năng thì pin mất tác dụng. Nhưng theo lý thuyết, pin nhiên liệu sinh học có thể hoạt động không giới hạn vì nó tiêu thụ những chất có nguồn gốc từ dịch cơ thể và được bổ sung liên tục".

Ý tưởng pin được nạp nhiên liệu từ glucose và oxygen có trong dịch cơ thể đã được gợi ý từ thập niên 1970 của thế kỷ trước, nhưng bị "bỏ rơi" vì năng lượng do mẫu ban đầu sản sinh ra quá ít so với nhu cầu thực tế....

Tuy nhiên, vào năm 2002, những tiến bộ trong ngành công nghệ sinh học đã giúp cho Itamar Willner - một nhà nghiên cứu tại Trường đại học Hebrew ở Jerusalem - tìm lại ý tưởng và đem lại cho nó một cái nhìn mới mẻ.

Trong một bài báo công bố trên tạp chí khoa học uy tín Science, ông phát hiện rằng, nhờ những tiến bộ trong công nghệ sinh học, chi giả và cơ phận nhân tạo sẽ sớm chạy bằng pin nhiên liệu sinh học được nạp điện từ dịch cơ thể.

Tiến sĩ Eileen Yu, nhà nghiên cứu tại Trường đại học Newcastle tham gia dự án liên trường đại học toàn nước Anh về phát triển pin nhiên liệu sinh học, cho biết: "Sau đó, pin nhiên liệu sinh học đã nhận được sự chú ý vô cùng lớn".

Công nghệ nano

Chìa khóa cho những đột phá gần đây là kiến thức của chúng ta về những phân tử sinh học đặc biệt gọi là enzyme. Enzyme là phân tử xuất hiện tự nhiên thúc đẩy các phản ứng hóa học.

Các nhà khoa học đang nghiên cứu pin nhiên liệu sinh học vừa khám phá 1 enzyme riêng biệt - được gọi là glucose oxidase - cực kỳ hữu ích cho quá trình tách electron từ glucose. Giáo sư Willner cho biết: "Enzyme này vô cùng hiệu quả trong việc tạo ra electron".

Được chắp cánh bởi những phát triển mới trong điều khiển enzyme, và phát triển trong tính khả dụng của ống nano carbon - vốn dĩ là những dây dẫn điện hiệu quả cao - nhiều nhóm nghiên cứu trên khắp thế giới đã phát triển được pin nhiên liệu sinh học có khả năng sinh ra điện. Tiến sĩ Cosnier và đồng nghiệp quyết định đi bước tiếp theo.

Ông cho biết: "Trong 10 năm gần đây, các nghiên cứu về loại pin này đã tăng chóng mặt cùng với những đột phá trong nghiên cứu enzyme". Và ông cho rằng, đã đến lúc thực hiện nỗ lực đầu tiên để đưa kiến thức tích lũy trong 10 năm qua vào một thiết bị kích thước bằng hạt gạo lại có thể phát điện khi cấy ghép  vào bên trong cơ thể chuột.

Năm 2010, nhóm Cosnier thử nghiệm pin nhiên liệu sinh học của họ ở chuột trong 40 ngày và đã báo cáo kết quả hoạt động hoàn hảo, sản sinh dòng điện ổn định và không có phản ứng phụ đối với hành vi và sức khỏe của chuột.

Pin nhiên liệu sinh học được quấn trong 1 tấm lưới để ngăn cơ thể đào thải nó.

"Hệ thống" của họ đơn giản tới mức kinh ngạc: 1 điện cực được tạo ra bằng cách nén vào 1 ống nano carbon hỗn hợp glucose oxidase, điện cực còn lại cũng là ống nano carbon chứa hỗn hợp glucose và polyphenol oxisdase. Bên trong 2 ống nano này còn có 1 dây platinum để dẫn dòng điện tới mạch. Hai điện cực được quấn trong vật liệu đặc biệt dùng để ngăn ống nano và enzyme thoát vào cơ thể. Cuối cùng, mọi thứ được quấn trong 1 "tấm lưới" để tránh bị hệ miễn dịch cơ thể đào thải nhưng 2 điện cực vẫn tiếp xúc với glucose và oxygen. "Gói pin" này được cấy vào cơ thể chuột.

Giáo sư Willner cho biết: "Đây là một bước tiến quan trọng minh chứng cho quá trình chuyển hóa từ nghiên cứu cơ bản thành thiết bị thực tế - cho thấy tính khả thi của việc đóng gói pin để cấy ghép." Việc cấy ghép pin vào chuột là bằng chứng rõ ràng nhất cho khái niệm này, nhưng vẫn còn có mặt hạn chế.

Theo Cosnier, cơ thể chuột quá nhỏ không cung cấp đủ điện năng cho một thiết bị thông thường. Tiếp theo, Tiến sĩ Cosnier dự định sẽ tiến hành thí nghiệm pin của ông ở bò và hi vọng nó sẽ phát đủ điện để cấp cho máy phát tín hiệu.

Nỗ lực của Tiến sĩ Cosnier trong việc tạo ra pin nhiên liệu sinh học cung cấp điện năng cho cơ phận nhân tạo không phải là duy nhất. Mới đây, hãng điện tử Sony công bố: Đã tạo được 1 cục pin nhiên liệu sinh học nạp điện bằng glucose và nước có khả năng cấp điện cho máy hát MP3.

Theo các nhà nghiên cứu, trong thời gian 10 năm nữa, chúng ta sẽ thấy pin nhiên liệu trong máy tính xách tay và điện thoại di động. Tiến sĩ Cosnier khẳng định rằng pin nhiên liệu sinh học sẽ đặc biệt hữu dụng ở những nơi không có điện để sạc pin. Ông nói: "Nếu bạn ở một đất nước không có điện và muốn sạc pin nhiên liệu sinh học thì mọi việc cần làm là châm thêm đường và nước vào nó"