Một nhóm các nhà khoa học Việt Nam, trong đó có thành viên của ARIPT đã nắm trong tay bí quyết thiết kế một thiết bị tự động tạo dung dịch nano bạc không độc hại, giá cả phải chăng để có thể sẵn sàng cung cấp cho thị trường.
Giấc mơ hạt nano bạc giá rẻ, không độc hại
Những hạt nano bạc nhỏ bé đang ngày được coi là cứu tinh của các mùa vụ. Với kích thước từ 1 đến 100 nano mét, các hạt nano bạc có những đặc tính quang học, sinh học độc đáo có thể giúp tăng cường chất lượng hạt giống, thúc đẩy khả năng hấp thụ sinh học, cải thiện chất lượng đất, kháng khuẩn, kháng mầm bệnh cây trồng, vật nuôi, giúp các hộ nông dân giảm lượng phân bón hóa học, thuốc trừ sâu, kháng sinh thông thường… Thêm vào đó, các cơ chế hoạt động của hạt nano bạc như phá vỡ màng tế bào, ức chế khả năng sao chép DNA không chỉ diệt trừ được vi sinh vật mà còn khiến chúng khó phát triển khả năng kháng thuốc.
Nhiều người cho rằng, do có khả năng bảo vệ mùa màng, nano bạc có thể trở thành một “kẻ thay đổi cuộc chơi”, không chỉ thay thế thuốc trừ sâu và phân bón hóa học…mà còn giúp người tiêu dùng có được những sản phẩm hàng hóa an toàn, lành mạnh với sức khỏe và hơn nữa, giúp bảo vệ môi trường tự nhiên khỏi bị ô nhiễm lâu dài.
Lợi thế này của nano bạc vô cùng hứa hẹn, nếu chúng ta biết rằng, các hộ nông dân sử dụng phổ biến, và ngày càng tăng các thuốc bảo vệ thực vật và kháng sinh như thế nào. Ví dụ trong nuôi trồng thủy sản, 72 % trang trại nuôi tôm và cá ở đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long đều sử dụng ít nhất một loại kháng sinh để kiểm soát dịch bệnh hoặc thúc đẩy tăng trưởng. Còn trong trồng trọt, mỗi năm Việt Nam nhập khẩu từ 70.000 đến 120.000 tấn thuốc trừ sâu và theo hải quan, chi phí nhập khẩu thuốc trừ sâu vào năm 2017 đã lên tới 1 tỷ USD.
Do đó, nếu có thể dễ dàng tiếp cận các nguồn cung nano bạc tin cậy, đảm bảo chất lượng thì chắc hẳn, các hộ nông dân Việt Nam sẵn sàng coi đây là giải pháp quan trọng cho mùa vụ của mình.
Tuy nhiên, đây cũng là thách thức không nhỏ. Trong nông nghiệp, để quá trình sử dụng tiện lợi, hiệu quả và kiểm soát liều lượng, người ta thường không sử dụng trực tiếp hạt nano bạc mà thường sử dụng dung dịch nano bạc. Mặc dù có thể tạo ra hạt nano bạc từ nhiều phương pháp như vật lý, cơ học, hóa học, sinh học và điện hóa nhưng để hạt nano bạc tránh bị kết tụ trong dung dịch, người ta vẫn phải sử dụng thêm chất ổn định. Các chất ổn định này bọc bên ngoài nano bạc, ngăn cản các hạt nano tiếp xúc với bề mặt cần diệt khuẩn, vô hình trung hạn chế tác dụng của nó.
Để thuận tiện hơn cho quá trình sử dụng, các hộ nông dân cần một thiết bị tạo dung dịch nano bạc ngay tại nhà, giá thành phải chăng. Đó cũng là mơ ước của nhóm nghiên cứu tại Viện Vật lý (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam), trường Đại học công nghiệp Hà Nội. “Mục tiêu của chúng tôi là muốn tạo ra một thiết bị tự động tạo ra dung dịch nano bạc không có lẫn tạp chất độc hại… Thiết bị này có giá thành rẻ hơn so với các thiết bị sẵn có trên thị trường, thích hợp sử dụng trong phòng chống dịch bệnh của cây trồng và vật nuôi thủy sản ở các hộ gia đình”.
Ưu điểm khác mà nhóm nghiên cứu hướng đến là “muốn tạo được dung dịch nano bạc mà kích thước hạt nano nhỏ, đồng đều để làm tăng khả năng phòng và tiêu diệt các tác nhân gây bệnh trên cây trồng vật nuôi”.
Đây có phải là một cái đích khó tới?
Thiết bị tối ưu cơ chế tạo hạt nano bạc
Khó thì vẫn phải làm. Thiết bị mà nhóm nghiên cứu thiết kế là một hệ thống plasma điện hóa nhằm tạo dung dịch nano bạc qua cơ chế tương tác giữa chất lỏng và plasma. Tâm điểm của thiết bị này là buồng phản ứng, nơi diễn ra hai quá trình chính là quá trình điện phân hòa tan các ion kim loại vào dung dịch và quá trình khử ion kim loại trong vùng plasma để tạo hạt nano.
Ưu điểm của cơ chế này là nó có thể tạo ra được dung dịch nano bạc khá tinh khiết, không lẫn tạp chất. Tuy vậy, nó cũng có nhược điểm là hình thành các hạt nano bạc có kích thước không đồng đều trong khi lại đòi hỏi buồng phản ứng lớn và nguyên tắc hoạt động phức tạp. Để đạt được mục tiêu đề ra thì nhiệm vụ của nhóm nghiên cứu là phải khắc phục được cả ba nhược điểm này.
Trong quá trình nghiên cứu, họ đã phát hiện ra cách thức hữu hiệu có thể giải quyết cả ba tồn tại. Hóa ra, mấu chốt của vấn đề nằm ở khoảng cách giữa hai điện cực. Nếu khoảng cách giữa hai điện cực nhỏ hơn thì quá trình điện phân thành ion hòa tan và quá trình khử các ion diễn ra gần như đồng thời. Và khoảng cách này tỉ lệ thuận với kích thước hạt nano. “Khi thu hẹp khoảng cách giữa hai điện cực, các hạt nano bạc được tạo ra sẽ nhỏ hơn và đồng đều hơn”, nhóm nghiên cứu cho biết.
Phát hiện này đã giúp nhóm nghiên cứu hóa giải nút thắt về một thiết bị hiệu quả và tối ưu chi phí. Trong quá trình thử nghiệm, họ thấy “hầu như tất cả các ion kim loại được giải phóng từ cực dương sẽ đều bị khử trong plasma để tạo thành hạt nano”. Nhờ vậy, hiệu suất tạo hạt nano khá cao, kích thước hạt nano nhỏ và khá đồng đều. Mặt khác, do các hạt tổng hợp tích điện âm sẽ tránh được sự kết bám nên hạt nano dễ dàng phân tán mà không cần bổ sung thêm chất hoạt động bề mặt.
Trên đường về đích, họ còn đón nhận thêm một điểm thưởng khác, xuất phát từ việc nắm bắt được chính xác tốc độ hình thành hạt nano vào khoảng 3 mg/phút. “Sử dụng kết quả này, chúng tôi hoàn toàn có thiết kế các hệ thống sản xuất tự động kiểm soát nồng độ bằng cách bơm nước vào buồng phản ứng”, nhóm nghiên cứu cho biết.
Trong quá trình thử nghiệm, nhóm nghiên cứu chỉ sử dụng bạc nguyên khối và nước cất, những nguyên liệu có giá thành thấp, tương đối sạch vì không có tồn dư hóa chất như khi sử dụng bạc nitrat trong một số phương pháp khác. Một điều đáng nói khác là sản phẩm tạo ra “tương đối an toàn cho người sử dụng và môi trường, tạo tiền đề quan trọng để hướng tới một nền nông nghiệp xanh – sạch”, theo đánh giá của nhóm nghiên cứu.
Những phát hiện mới đã giúp nhóm nghiên cứu không chỉ thiết kế được một thiết bị tạo dung dịch nano bạc một cách tối ưu như mong muốn mà còn tạo ra sản phẩm có giá thành thấp hơn hàng chục lần so với sản phẩm cùng loại từ phương pháp khác.
Tuy nhiên, điều mà họ cảm thấy hài lòng hơn cả là tiềm năng sử dụng của thiết bị này tại Việt Nam, nơi nền nông nghiệp vẫn còn phụ thuộc vào các nông hộ nhỏ. “Máy có kết cấu nhỏ gọn, đơn giản, dễ sửa chữa, dễ sử dụng, hoạt động ổn định, giá thành không quá cao nên phù hợp phục vụ sản suất nông nghiệp và trồng thủy sản tại các nông hộ”, họ kết luận.
——————————–
Tài liệu tham khảo:
1. “Reduction of antimicrobial use in Pangasius and Tilapia aquaculture in Vietnam”. https://icars-global.org/projects/aquaculture-vietnam/
2. “Fertilizers and Agro-chemicals use in Viet Nam”.
3. “Nghiên cứu máy tạo dung dịch nano bạc dựa trên công nghệ plasma sử dụng trong sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản”. Tạp chí KH&CN Đại học Công nghiệp. 2020.