Mức carbon dioxide trong khí quyển — loại khí có khả năng giữ nhiệt rất tốt, góp phần gây ra biến đổi khí hậu — đã tăng lên gần gấp đôi so với thời kỳ trước Cách mạng Công nghiệp. Dù vậy, nó chỉ chiếm 0,0415% không khí mà chúng ta hít thở.

Thu hồi và cô lập carbon là quá trình thu giữ carbon dioxide dư thừa từ bầu khí quyển của Trái đất và lưu trữ nó sâu dưới lòng đất với mục đích giảm tác động của biến đổi khí hậu (như bão lũ, nước biển dâng, hạn hán và cháy rừng). Carbon dioxide được thu giữ có thể bắt nguồn từ các nhà máy điện đốt nhiên liệu hóa thạch, lò nung xi măng, hoặc trực tiếp từ không khí – điều này đòi hỏi công nghệ cao hơn.

Kỹ sư sinh học Susan Rempe (bên trái) và kỹ sư hóa học Hồ Anh Tuấn đang xem xét mô hình cấu trúc hóa học của một loại đất sét. Ảnh: Craig Fritz

Để góp phần giải quyết vấn đề này, kỹ sư hoá học Hồ Anh Tuấn và một nhóm các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia đã sử dụng các mô hình máy tính kết hợp với những thí nghiệm để nghiên cứu cách một loại đất sét có thể hấp thụ và lưu trữ carbon dioxide trực tiếp từ không khí. Các nhà khoa học đã công bố những phát hiện ban đầu của họ trên tạp chí The Journal of Physical Chemistry Letters.

"Đất sét rất rẻ và có sẵn trong tự nhiên. Nếu dự án mạo hiểm (high risk – high reward) này được đưa vào ứng dụng, nó sẽ giúp giảm thiểu đáng kể chi phí thu hồi carbon trực tiếp từ không khí”, TS. Hồ Anh Tuấn, tác giả chính của bài báo, cho biết.

TS. Hồ Anh Tuấn hình dung rằng có thể sử dụng các vật liệu làm từ đất sét như một loại bọt biển giúp hấp thụ carbon dioxide, sau đó carbon dioxide có thể được "vắt” ra khỏi miếng bọt biển và bơm sâu dưới lòng đất. Ngoài ra, có thể sử dụng đất sét như một bộ lọc thu giữ carbon dioxide từ không khí để lưu trữ.

Đất sét có độ ổn định cao và diện tích bề mặt lớn — nó bao gồm nhiều hạt cực nhỏ với các vết nứt và khe nhỏ hơn khoảng một trăm nghìn lần so với đường kính của một sợi tóc người. Kỹ sư Susan Rempe, người tham gia vào dự án, cho biết những lỗ nhỏ này được gọi là lỗ nano (nanopores). Đây không phải là lần đầu tiên Rempe nghiên cứu vật liệu cấu trúc nano để thu giữ carbon dioxide. Trên thực tế, cô là thành viên của nhóm nghiên cứu chất xúc tác sinh học để chuyển đổi carbon dioxide thành bicarbonate ổn định trong nước. Họ đã điều chỉnh một màng cấu trúc nano mỏng để bảo vệ chất xúc tác sinh học. Tất nhiên, màng này không được làm từ đất sét rẻ tiền, và ban đầu được thiết kế để phù hợp với các nhà máy điện đốt nhiên liệu hóa thạch hoặc các cơ sở công nghiệp khác. "Có thể kết hợp hai giải pháp này để tạo ra một công nghệ hoàn chỉnh,” cô nói.

Động lực học phân tử là một dạng mô phỏng máy tính để tìm hiểu về các chuyển động và tương tác của các nguyên tử và phân tử ở cấp độ nano. Bằng cách xem xét các tương tác này, các nhà khoa học có thể tính toán mức độ ổn định của một phân tử trong từng môi trường cụ thể — chẳng hạn như trong các hạt nano đất sét chứa đầy nước.

"Mô phỏng phân tử thực sự là một công cụ quan trọng để nghiên cứu các tương tác ở quy mô phân tử”, TS. Hồ Anh Tuấn nhận định. "Chúng tôi có thể theo dõi đầy đủ những gì đang diễn ra giữa carbon dioxide, nước và đất sét, và sau đó sử dụng thông tin này vào việc chế tạo vật liệu đất sét cho các ứng dụng thu giữ carbon”.

Trong nghiên cứu này, các mô phỏng động lực học phân tử cho thấy carbon dioxide trong các lỗ nano đất sét ướt có độ ổn định cao hơn nhiều so với trong môi trường nước bình thường. GS. Cliff Johnson và các đồng nghiệp tại Đại học Purdue gần đây đã tiến hành các thí nghiệm và xác nhận rằng nước được chứa trong các hạt nano đất sét hấp thụ nhiều carbon dioxide hơn so với nước thường.

TS. Nabankur Dasgupta thuộc phòng thí nghiệm Sandia cũng phát hiện ra rằng khi các nhà khoa học làm cho quá trình chuyển đổi carbon dioxide thành acid carbonic bên trong các vùng giống như dầu (oil-like) của các lỗ nano diễn ra thuận lợi hơn và tiêu tốn ít năng lượng hơn so với quá trình chuyển đổi tương tự trong nước thường, các vùng này sẽ thu được nhiều carbon dioxide hơn và lưu trữ dễ dàng hơn.