Nhân ngày Nước sạch Thế giới năm 2023, Quỹ VinFuture đã có cuộc trò chuyện ngắn cùng Giáo sư Novoselov để thảo luận về ảnh hưởng của những nghiên cứu đột phá và tiềm năng giải quyết một trong những vấn đề cấp bách nhất của thế giới: tiếp cận với nước sạch.

– Giáo sư nhận định thế nào về tiềm năng sử dụng các vật liệu tiên tiến trong quản lý tài nguyên nước?

 – Giáo sư Novoselov: Trong 30-40 năm qua, việc quản lý tài nguyên nước đã có những bước tiến vượt bậc nhờ sự cải tiến về vật liệu. Một số quốc gia như Singapore và Israel đã tồn tại và phát triển nhờ sự tiến bộ của công nghệ màng lọc trong vài thập kỷ qua. Thành công này nhờ những vật liệu mới, tiên tiến. Dẫu vậy, cơ hội tiếp tục nghiên cứu, phát triển vẫn còn nhiều. Quá trình khử muối mới chỉ đạt 30-50% hiệu quả cuối cùng, tương tự như pin mặt trời.

Chúng ta vẫn có thể tiếp tục phát triển các loại pin mặt trời mới và cải tiến các loại pin mặt trời truyền thống. Tôi tin rằng những vật liệu mới như graphene cũng có thể cải thiện hiệu quả khử muối trong nước.

Một số công ty thương mại đang thử nghiệm những vật liệu này, hoặc vật liệu tổng hợp như màng lọc graphene-polyme. Do đó, tôi chắc rằng chúng ta sẽ thấy hiệu quả được cải thiện trong vài năm tới. Chúng ta cần quản lý nước một cách thông minh. Màng lọc không chỉ khử muối mà còn có thể thực hiện các chức năng khác như giám sát chất lượng nước, khắc phục các vấn đề về khả năng hấp thụ của nước, tiêu diệt vi khuẩn và hấp phụ kim loại nặng.

Bên cạnh đó, việc phát triển các đặc tính tự phục hồi có thể làm tăng tuổi thọ sử dụng của màng lọc. Điều này đòi hỏi những tiến bộ đáng kể trong khoa học vật liệu.

– Nhóm nghiên cứu của giáo sư ở Singapore đang phát triển màng lọc thông minh để xử lý nước. Giáo sư có thể chia sẻ thêm về tiến độ và kỳ vọng đối với nghiên cứu này? Liệu màng lọc thông minh có tạo ra tác động đáng kể trên quy mô toàn cầu hay không, đặc biệt là ở các nước đang phát triển?

– Giáo sư Novoselov: Nghiên cứu của chúng tôi vẫn đang ở giai đoạn đầu và chủ yếu tập trung vào nghiên cứu cơ bản. Chúng tôi đang cố gắng xác định và thiết lập các vật liệu thông minh. Chúng tôi có hệ thống màng lọc khác nhau với khả năng thực hiện các tính năng riêng biệt, dựa trên những thay đổi môi trường. Chẳng hạn, chúng tôi có thể thiết kế màng lọc cho phép một số ion nhất định đi qua, trong khi chặn những ion khác, hoặc sử dụng các phân tử truyền tín hiệu để kích hoạt giải phóng các ion nhất định.

Chúng tôi cũng có thể thiết kế các vật liệu hấp phụ các loại hóa chất cụ thể, chẳng hạn vàng, kim loại nặng hoặc các hợp chất sinh học. Khi hiểu rõ hơn về việc tái lập trình màng lọc, chúng tôi có thể sử dụng chúng cho nhiều mục đích.

Chúng tôi cũng muốn tập trung vào các nhiệm vụ thách thức hơn, chẳng hạn tạo màng lọc cho các ứng dụng sinh học như mô nhân tạo, đòi hỏi khả năng chọn lọc ion được thiết lập kỹ lưỡng.

Với sự tiến bộ nhanh chóng trong quá trình phát triển màng lọc và tầm quan trọng của nguồn nước bền vững, tôi tin tưởng trong tương lai gần, chúng ta sẽ thấy những kết quả thú vị trong lĩnh vực màng lọc thông minh.

– Xin giáo sư giải thích rõ hơn về ứng dụng của graphene trong quản lý tài nguyên nước?

– Giáo sư Novoselov: Graphene hiện được sử dụng rộng rãi với những mục đích khác nhau. Theo tôi được biết, hệ thống quản lý nhiệt graphene thế hệ thứ hai sẽ được ra mắt trong thời gian tới. Graphene cũng được sử dụng để lọc, lưu trữ CO2 và ứng dụng trong công nghệ pin. Hàng nghìn tấn vật liệu này đang được sử dụng hiện nay. Công nghệ khử mặn nước sử dụng vật liệu  graphene vẫn đang trong giai đoạn phát triển, các công ty tư nhân đã tham gia quá trình này, và đó là một dấu hiệu tốt.

Tuy nhiên, nếu chúng ta nghĩ rộng hơn về tính bền vững, graphene cũng có những ứng dụng khác, chẳng hạn trong công nghệ màng lọc của pin nhiên liệu và màng lọc proton. Đây là một ứng dụng lớn và rất quan trọng.

Ngoài ra, graphene là một dạng carbon mà chúng ta có thể sử dụng để tổng hợp các vật liệu hữu ích thông qua lưu trữ và chuyển đổi CO2. Trong những vật liệu này, một số có thể được sử dụng cho công nghệ màng lọc. Tuy nhiên, chúng ta cầntìm ra nhiều ứng dụng lớn hơn nữa để có thể  giảm đáng kể mức CO2 hiện nay và nhóm nghiên cứu của chúng tôi đang nghiên cứu cho các ứng dụng này.

– Giáo sư vừa rồi đã đề cập về một số phương pháp khử muối mới có thể loại bỏ nhiều vi khuẩn hơn và những tác nhân tương tự. Xin giáo sư hãy giải thích rõ hơn về vấn đề này?

– Giáo sư Novoselov: Trên hết là tính hiệu quả của lớp màng lọc. Hãy tưởng tượng nếu có màng lọc ở nơi có khí hậu ẩm ướt và vi khuẩn bắt đầu sinh sôi ở khắp mọi nơi, chúng ta không thể tránh khỏi điều đó. Vì vậy, về cơ bản,  cần đảm bảo rằng bề mặt màng có một số đặc tính kháng khuẩn và chúng ta có nhiều cách để đạt được điều đó. Bạn có thể quét một số hóa chất lên bề mặt hoặc khiến vi khuẩn không thể bám vào màng lọc.

Tuy nhiên, đó là một vấn đề lớn đối với những màng lọc này. Chúng ta có thể tạo ra lớp phủ kháng khuẩn bằng graphene. Câu hỏi đặt ra là liệu chúng ta có thể thực sự kết hợp chúng lại với nhau không? Về cơ bản, bạn cần đảm bảo rằng những bề mặt đó có đặc tính kháng khuẩn và khả năng lọc nước. Bạn cần tìm những vật liệu có thể thực hiện đồng thời cả hai chức năng. Càng nhiều chức năng được thực hiện đồng thời càng tốt.

– Liệu chúng ta có thể phát triển một loại màng lọc hiệu quả cả về mặt năng lượng và chi phí để có thể triển khai ngay tại một ngôi làng nhỏ đâu đó ở châu Phi giúp cải thiện nguồn nước cấp?

– Giáo sư Novoselov: Tôi chắc chắn ngày nay chúng ta có thể tạo ra nhiều mô-đun. Chúng ta có thể tạo một trang trại năng lượng mặt trời quy mô nhỏ cấp điện cho nhà máy này, và cũng bởitrang trại có kích thước rất nhỏ, nên điều chúng ta cần quan tâmlà vấn đề nguồn điện. Hiện nay, chúng ta đãsản xuất các tấm pin mặt trời chất lượng tốt. Ở Israel đã có cácnhà máy khử muối để có nước dùng cho sinh hoạt. Vì vậy, chắc chắn chúng ta có thể làm được trong thời đại ngày nay.

Tuy nhiên, các nhà máy khử muối trong nước có thể hoạt động theo nhiều nguyên tắc khác nhau. Thông thường, năng lượng mặt trời sẽ chuyển hóa thành điện năng cung cấp cho máy bơm, tạo ra áp suất cực lớn đẩy nước đi qua và loại bỏ các ion natri.

Tuy nhiên, có nhiều cách khử muối khác, như là sử dụng nhiệt trực tiếp để nước bốc hơi.

Về quy mô lớn, công nghệ màng lọc hiện tại chắc chắn chiếm ưu thế. Dẫu vậy, có thể có nhiều cách thông minh hơn để đạt được điều này, chẳng hạn chuyển đổi trực tiếp năng lượng của mặt trời thành nhiệt và sử dụng hơi nước. Những công nghệ này có thể ứng dụng được, nhưng chưa khả thi về mặt thương mại. Tuy nhiên, chúng hoạt động về nguyên tắc, và  vấn đề chúng ta cần làm là nâng cao năng suất, hiệu quả.

Tôi muốn nói rằng việc chúng ta đi đến quy mô bền vững liên quan đến tất cả màng lọc khác nhau để tách COhoặc chiết xuất CO2, tách hydro,…

– Như vậy màng lọc nước, màng lọc khử muối càng hiệu quả thì càng ít tốn kém. Và liệu nó có bền vững hơn không, thưa Giáo sư?

– Giáo sư Novoselov: Hiện nay, phần lớn năng lượng của chúng ta đến từ việc đốt than, khí đốt và dầu mỏ. Do vậy, nếu chúng ta có thể nâng cao hiệu quả dựa trên cả 2 yếu tố , điều đó sẽ giúp tiết kiệm đáng kể cho mọi người.

Trong khi các ngành công nghiệp truyền thống tiêu thụ ít năng lượng hơn, một lượng lớn năng lượng lại được sử dụng cho các mục đích kỹ thuật số. Điều cần thiết là tập trung vào việc đạt hiệu quả năng lượng trong mọi lĩnh vực, bao gồm cả việc giúp máy tính của chúng ta trở nên thông minh và tiết kiệm năng lượng hơn.

– Giáo sư có nghĩ rằng chúng ta sẽ phải trải qua một giai đoạn thách thức trước khi sản xuất được màng graphene khử muối có tính khả thi về mặt thương mại?

– Giáo sư Novoselov: Tôi tin chắc rằng đã có những nhà máy đang thí điểm công nghệ này. Một số công ty đang nghiên cứu về nó, nhưng tôi không chắc liệu họ có sản xuất được nước sạch bằng phương pháp này hay chưa. Khi công nghệ đã vượt ra khỏi ranh giới trường đại học và đến với các doanh nghiệp, đó là một dấu hiệu tốt. Tuy nhiên, có thể mất từ 5 đến 7 năm để đạt được tiến bộ đáng kể.

Graphene không phải là vật liệu duy nhất đang được sử dụng. Chúng ta cũng không thể mong đợi mọi thứ xung quanh mình sẽ nhanh chóng được làm bằng graphene. Còn rất nhiều vật liệu khác, và graphene đang dần trở thành một phần cuộc sống của chúng ta. Các màng lọc được thiết kế bằng cách kết hợp nhiều vật liệu khác nhau, không chỉ graphene.

Khi đề cập đến yếu tố thông minh, chúng ta cần kết hợp graphene với các vật liệu khác để thích ứng với môi trường thực tế bên ngoài. Để đạt được điều này đòi hỏi sự kết hợp của nhiều vật liệu khác nhau, không chỉ graphene.

Cover photo: Image by Freepik