Công nghệ khoa học viễn tưởng có thể giải quyết cuộc khủng hoảng nước của thế giới

• Máy gặt sa mạc
• Máy dò độc tố não sinh học
• Máy phân phối Clo chống lỗi
• Liệu pháp sốc nước

Hãy tưởng tượng một chiếc hộp nhỏ có thể thu thập nước uống từ không khí, ngay cả ở Sa mạc Mojave. Đây chỉ là một trong những công nghệ mới gây khó hiểu nhằm giải quyết cuộc khủng hoảng nước toàn cầu, quy mô đòi hỏi sự đổi mới ở cấp độ khoa học viễn tưởng.

Theo Liên Hợp Quốc, hơn 2 tỷ người trên thế giới không được tiếp cận với nước uống an toàn. Đối mặt với tình trạng khan hiếm nước tự nhiên và hạn hán do biến đổi khí hậu, nhiều người không được tiếp cận với nước, trong khi những người khác phải chịu đựng nguồn nước bị ô nhiễm . Nhiều người phải đối mặt với cả hai vấn đề.

Các công cụ và kỹ thuật sáng tạo để tạo ra nước và làm sạch nước đang nổi lên. Các nhà khoa học đã tạo ra máy tính não vi mô để phát hiện độc tố, điện giật chì ra khỏi H2O và chế tạo một thiết bị lọc không cần năng lượng có thể chống lại lỗi của con người.

Những công nghệ này cuối cùng có thể bảo vệ sức khỏe của người dân trên toàn cầu, dù ở thành phố có đường ống bị ô nhiễm chì hay vùng nông thôn nơi giếng nước chung có thể cạn kiệt.

Máy gặt sa mạc

Một trong những nguồn nước giàu có nhất trên trái đất đang ẩn mình ngay trước mắt: không khí.

Theo Omar M. Yaghi, Tiến sĩ, Giáo sư Hóa học James và Neeltje Tretter tại Đại học California ở Berkeley, chỉ cần chưa đến 0,001 phần trăm độ ẩm trong khí quyển là có thể cung cấp 50 lít nước cho mỗi người trên Trái Đất.

Phòng thí nghiệm của Yaghi đã phát triển một phương pháp mới để khai thác nguồn tài nguyên vô hình, khổng lồ này.

Chúng khâu các phân tử lại với nhau thành các cấu trúc giống như giàn giáo, với các phân tử hữu cơ đóng vai trò là thanh chống và các nguyên tử kim loại đóng vai trò là các khớp nối. Các khung kim loại-hữu cơ này, hay MOF, có diện tích bề mặt rất lớn: hai sân bóng đá rộng lớn được gấp lại thành một nhúm nhỏ bằng hạt đậu.

Máy thu hoạch nước bằng thủy tinh hữu cơ của Yaghi chứa đầy MOF, có thể lấy nước từ ngay cả không khí sa mạc khô nhất. Hộp nóng lên khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, khiến MOF tách độ ẩm ra khỏi không khí, sau đó được giải phóng thành nước uống.

Yaghi cho biết: “Không có vật liệu nào trên thế giới có thể hấp thụ nước và giải phóng nước theo cách đó, ở độ ẩm rất thấp, ngoại trừ MOF”.

Chỉ với 200 gam MOF, hộp chạy bằng năng lượng mặt trời có thể thu hoạch được hơn một gallon nước mỗi ngày.

Phiên bản điện có thể lặp lại chu kỳ thu hoạch và thả cả ngày.

Máy dò độc tố não sinh học

Các sinh vật đơn bào cực nhỏ có thể chứa đựng chìa khóa cho một vấn đề khác: một phép thử dễ dàng để xác định độ an toàn của nước.

Vi khuẩn đã tiến hóa để nhận biết và bảo vệ mình khỏi các chất độc trong nước mà con người không thể nếm hoặc nhìn thấy, bao gồm asen, E. coli và chì.

Julius B. Lucks, tiến sĩ, giáo sư và phó chủ tịch khoa kỹ thuật hóa học và sinh học tại Đại học Northwestern cho biết: "Chúng có thứ gì đó giống như bộ não phân tử di truyền giúp chúng làm được điều này".

Vi khuẩn có protein cảm biến sinh học, còn gọi là cảm biến sinh học, bám vào độc tố, một quá trình kích hoạt một gen nhất định, chẳng hạn như gen bơm chì ra khỏi cơ thể.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng họ có thể trích xuất một số cảm biến sinh học nhất định và sắp xếp lại DNA để tạo ra một gen khác: gen phát sáng khi có chất gây ô nhiễm.

Sau đó, họ chỉnh sửa thêm nhiều protein cảm biến sinh học, thiết kế lại chúng để phản ứng với các mức độ ô nhiễm cụ thể.

Sản phẩm cuối cùng là một máy tính DNA cầm tay: một dãy ống nghiệm chứa protein đông khô. Độ ô nhiễm trong mẫu nước càng cao thì số lượng ống phát sáng càng nhiều. 

Lucks cho biết: "Chỉ khi đáp ứng được một số điều kiện nhất định thì các phân tử DNA cuối cùng mới lắp ráp và tạo ra màu huỳnh quang". "Điều đó thật kỳ diệu".

Máy phân phối Clo chống lỗi

Clo là một công cụ mạnh mẽ để tiêu diệt các tác nhân gây bệnh trong nước, nhưng có thể khó sử dụng hiệu quả. Các phương pháp thông thường, chẳng hạn như viên clo và thiết bị phân phối có núm, tạo ra rất nhiều chỗ cho sai sót của con người.

Các nhà nghiên cứu tại Viện Môi trường Tufts muốn làm cho clo dễ sử dụng hơn trong các nguồn nước cộng đồng chung ở những nơi không có điện.

Giải pháp tinh tế của họ chỉ gồm hai thành phần: một chiếc hộp nhỏ gắn vào đầu ống nước và một bình chứa đầy clo lỏng.

Julie E. Powers, nhà nghiên cứu chính về thiết bị này tại Tufts và hiện là nghiên cứu sinh tiến sĩ về kỹ thuật môi trường tại UC Berkeley, cho biết: "Nhiều lợi ích sức khỏe mà chúng tôi tìm thấy khi sử dụng nước đã qua xử lý đòi hỏi bạn phải xử lý nước thường xuyên".

Vì hộp có đường kính hẹp hơn đường ống nên nó gây ra sự thay đổi áp suất khi nước chảy qua. Sự thay đổi áp suất này, được gọi là hiệu ứng Venturi, kéo clo từ bể vào dòng nước, do đó nó được xử lý tự động mà không cần điện. 

Các nhà nghiên cứu đã lắp đặt thiết bị Venturi tại các ki-ốt cung cấp nước ở bảy cộng đồng tại Bangladesh và Kenya, nơi mà việc tiếp cận nước sạch thường bị hạn chế. Sau 6 tháng thử nghiệm, năm cộng đồng đã quyết định mua thiết bị này.

Liệu pháp sốc nước

Kinh hoàng trước cuộc khủng hoảng nước nhiễm chì ở Flint, Michigan, các nhà khoa học và sinh viên tại Học viện Công nghệ Massachusetts đã tái sử dụng công nghệ khử muối của họ để loại bỏ kim loại nặng.

Họ đã tìm ra cách sử dụng điện để tách tạp chất trong nước. Phương pháp đó, được gọi là điện phân sốc, có thể loại bỏ một lượng lớn natri khỏi nước biển. Nhưng natri là một thành phần thiết yếu trong nước uống, nơi nó được tìm thấy ở nồng độ nhỏ hơn nhiều, và chì có thể khó loại bỏ nếu không loại bỏ mọi thứ khác.

“Chì rất khó xử lý. Nếu bạn cố gắng lọc nó bằng điện, nó có thể chơi khăm bạn và bám vào tường hoặc bề mặt của hệ thống bạn đang sử dụng”, Mohammad A. Alkhadra, ứng viên tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Hóa học tại Viện Công nghệ Massachusetts cho biết.

Công nghệ của họ dựa trên các vật liệu xốp tích điện, chẳng hạn như các mảnh thủy tinh cực nhỏ, bị giữ lại trong vỏ lọc giống như than hoạt tính trong bộ lọc Brita và loại bỏ được 95 phần trăm chì.

Những vật liệu này làm tăng độ dẫn điện của nước, khiến các ion natri và kim loại chuyển động và để lại một vùng tinh khiết trong quá trình di chuyển của chúng. Chỉ có nước tinh khiết từ vùng đó mới được đưa vào bể chứa nước uống.

Alkhadra, người lớn lên ở Ả Rập Xê Út, một quốc gia đang phải chịu cảnh thiếu nước, cho biết: “Tôi lớn lên cùng với sự trân trọng và nhận ra giá trị của nước”.

Khi ngày càng nhiều người phải đối mặt với tình trạng nguồn nước ngày càng cạn kiệt và ô nhiễm, nhiều người có thể cần phải chấp nhận quan điểm này.

TÍN DỤNG ẢNH:

Omar Yaghi / UC Berkeley.

Julius Lucks/Đại học Northwestern.

NGUỒN:

Nature Chemical Biology: “Lập trình các cảm biến sinh học không có tế bào với mạch thay thế sợi DNA.”

NPJ Clean Water : “Thiết kế, hiệu suất và nhu cầu về máy định lượng clo trực tiếp mới để tăng cường khả năng tiếp cận nguồn nước an toàn.”

ACS ES&T Water: “Loại bỏ chì liên tục và có chọn lọc khỏi nước uống bằng phương pháp điện phân sốc”.

Tiến sĩ Omar M. Yaghi, Chủ tịch James và Neeltje Tretter và Giáo sư Hóa học, Đại học California tại Berkeley.

Julius B. Lucks, Tiến sĩ, Giáo sư và Phó Trưởng khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học, Đại học Northwestern.

Julie E. Powers, ứng viên tiến sĩ, Đại học California tại Berkeley.

Mohammad A. Alkhadra, ứng viên tiến sĩ, Viện Công nghệ Massachusetts.

https://news.northwestern.edu/stories/2022/02/new-dna-computer-assesses-water-quality/&fj=1