Không khí sạch không chỉ là điều kiện tiên quyết cho sức khỏe con người mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất lao động, chất lượng cuộc sống và cả tuổi thọ. Tuy nhiên, trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng, ô nhiễm không khí đã trở thành một vấn đề toàn cầu. Các nghiên cứu của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) cho thấy, ô nhiễm không khí là nguyên nhân gây ra hàng triệu ca tử vong sớm mỗi năm, đặc biệt liên quan đến các bệnh về đường hô hấp và tim mạch.

Để giảm thiểu rủi ro này, nhiều hệ thống lọc không khí đã được ứng dụng trong gia đình, doanh nghiệp và các không gian công cộng. Tuy vậy, phần lớn các bộ lọc thông dụng hiện nay lại gặp phải một hạn chế lớn: hiệu suất lọc chưa cao.

Nguyên nhân là bởi cơ chế giữ lại bụi và hạt của các bộ lọc truyền thống chủ yếu dựa vào lực Van der Waals – một dạng lực hút yếu giữa các phân tử. Lực này có thể giữ được một phần bụi, phấn hoa và các hạt nhỏ, nhưng lại để lọt nhiều hạt siêu mịn hoặc dễ bị gió mạnh cuốn trở lại không khí. Điều này khiến không ít hệ thống lọc không khí hoạt động kém hiệu quả, đặc biệt trong môi trường nhiều gió hoặc chứa nồng độ bụi cao.

Cảm hứng từ cơ chế lọc tự nhiên của cơ thể con người

Các nhà khoa học từ Đại học Chung-Ang (Hàn Quốc) đã đặt ra một câu hỏi thú vị: Cơ thể con người lọc không khí như thế nào và liệu chúng ta có thể áp dụng cơ chế đó vào công nghệ hiện đại?

Câu trả lời đến từ chính mũi – “trạm lọc” tự nhiên đầy hiệu quả của hệ hô hấp.

- Khi hít vào, không khí đi qua lớp lông mũi và chất nhầy (mucus) nằm trên bề mặt.

- Chất nhầy này không phải là một lớp dịch thông thường, mà là bẫy sinh học được tối ưu để giữ lại các hạt bụi, phấn hoa, vi khuẩn và các chất ô nhiễm khác.

- Cơ chế hoạt động dựa trên lực kết dính mao mạch – một lực vật lý giúp kéo các hạt vào lớp nhầy và giữ chặt chúng ở đó.

- Sau đó, các lông mao (cilia) li ti trên bề mặt mũi sẽ vận chuyển các hạt bị giữ về phía sau cổ họng để loại bỏ bằng cách nuốt hoặc khạc ra ngoài.

Điểm đặc biệt ở cơ chế này là không phụ thuộc hoàn toàn vào lực hút tĩnh điện hay áp suất, mà tận dụng khả năng bám dính linh hoạt của một lớp màng mỏng, dẻo và ổn định – điều mà các bộ lọc truyền thống chưa khai thác tốt.

Bộ lọc PRO – Mô phỏng chất nhầy mũi trong công nghệ lọc không khí

Dựa trên ý tưởng đó, nhóm kỹ sư hóa học tại Đại học Chung-Ang đã phát triển một bộ lọc hoàn toàn mới: Bộ lọc PRO (Particle Removal through Oil-coated filter) – tức bộ lọc phủ dầu loại bỏ hạt.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Bộ lọc PRO được phủ một lớp dầu mỏng có độ dày chỉ từ 200 đến 500 nanomet. Lớp dầu này:

- Ổn định, không bay hơi.

- Tương thích sinh học (an toàn với sức khỏe con người)

- Tạo bề mặt dính tương tự như chất nhầy trong mũi.

Khi không khí đi qua bộ lọc, các hạt bụi mịn, phấn hoa, thậm chí là vi sinh vật sẽ bị hút vào lớp dầu và dính chặt, không thể thoát ra. Cơ chế này giúp giữ lại các hạt hiệu quả hơn nhiều so với phương pháp chỉ dựa vào lực Van der Waals.

Thử nghiệm thực tế

Để đánh giá hiệu quả, nhóm nghiên cứu đã tiến hành các thử nghiệm tại nhiều địa điểm ở Seoul – một thành phố nổi tiếng với vấn đề bụi mịn PM2.5:

- Phòng triển lãm (môi trường kín, ít gió)

- Tòa nhà văn phòng (luồng khí điều hòa luân chuyển liên tục)

- Sân vận động bóng chày trong nhà (môi trường có nhiều người và sự thay đổi áp suất không khí nhanh)

Kết quả cho thấy:

- Bộ lọc PRO giữ lại nhiều hạt hơn đáng kể so với bộ lọc thông thường.

- Tuổi thọ gấp đôi so với bộ lọc truyền thống (ít bị tắc nghẽn do cơ chế bám dính hiệu quả hơn).

Ưu điểm nổi bật của bộ lọc PRO

Hiệu suất cao trong cả môi trường nhiều gió

Trong khi bộ lọc truyền thống có thể bị gió mạnh “thổi bật” bụi ra, PRO vẫn giữ được hạt nhờ lớp dầu bám dính.

Điều này đặc biệt hữu ích ở công trường xây dựng, ga tàu điện ngầm, hoặc các khu vực thông gió mạnh.

Dễ dàng nâng cấp hệ thống hiện có

PRO có thể lắp thêm vào các máy lọc không khí hoặc hệ thống HVAC mà không cần thay mới toàn bộ thiết bị.

Chi phí hợp lý

Do không yêu cầu thay đổi cấu trúc hệ thống, chi phí nâng cấp thấp hơn so với việc thay mới toàn bộ máy lọc.

An toàn sinh học

Lớp dầu phủ được chọn lọc để đảm bảo không gây hại cho sức khỏe, không bay hơi và không tạo mùi khó chịu.

Tăng tuổi thọ bộ lọc

Cơ chế giữ hạt hiệu quả giúp hạn chế tắc nghẽn, giảm tần suất bảo trì và thay thế.

Tiềm năng ứng dụng rộng rãi

Công nghệ PRO có thể áp dụng cho nhiều lĩnh vực:

- Gia đình: máy lọc không khí, hệ thống điều hòa.

- Doanh nghiệp: văn phòng, nhà máy, kho hàng.

- Không gian công cộng: bệnh viện, trường học, trung tâm thương mại, ga tàu điện ngầm.

- Ngành công nghiệp: công trường xây dựng, nhà máy sản xuất, xưởng chế biến thực phẩm.

Thậm chí, với khả năng hoạt động tốt trong môi trường nhiều gió, PRO còn có thể ứng dụng trong thiết bị lọc không khí di động ngoài trời hoặc trong các phương tiện giao thông công cộng.

Hướng phát triển trong tương lai

Nhóm nghiên cứu không dừng lại ở phiên bản dầu phủ hiện tại. Mục tiêu tiếp theo:

- Phát triển vật liệu rắn có bề mặt hóa lỏng: Đây là một loại vật liệu vừa có cấu trúc cứng để định hình, vừa có bề mặt giống chất lỏng để tăng khả năng bám dính hạt.

- Tích hợp điện tích tĩnh điện: Giúp bộ lọc không chỉ giữ hạt khô (bụi, phấn hoa) mà còn giữ được các hạt trong giọt nước, tăng hiệu quả chống vi khuẩn, virus lây truyền qua không khí.

Nếu thành công, đây sẽ là một bước tiến quan trọng trong ngành công nghệ lọc không khí, mở ra thế hệ bộ lọc kết hợp cả cơ chế sinh học và cơ chế vật lý.

Ý nghĩa đối với sức khỏe và môi trường

Việc cải thiện chất lượng không khí không chỉ bảo vệ sức khỏe cá nhân mà còn giảm chi phí y tế và nâng cao chất lượng cuộc sống.

- Đối với sức khỏe cộng đồng: Giảm tỷ lệ mắc các bệnh hô hấp, tim mạch, hen suyễn.

- Đối với môi trường: Giảm sự phát tán của bụi mịn và chất ô nhiễm ra không khí, góp phần vào mục tiêu phát triển bền vững.

- Đối với kinh tế: Tiết kiệm chi phí năng lượng và bảo trì nhờ bộ lọc bền hơn, hiệu quả hơn.

Công nghệ bộ lọc PRO lấy cảm hứng từ chất nhầy trong mũi là minh chứng sống động cho triết lý “học hỏi từ thiên nhiên” trong khoa học và kỹ thuật. Bằng cách mô phỏng một cơ chế sinh học đã được tối ưu qua hàng triệu năm tiến hóa, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một giải pháp lọc không khí vừa hiệu quả, vừa bền vững, vừa tiết kiệm chi phí.

Nếu được triển khai rộng rãi, PRO không chỉ cải thiện không khí trong nhà mà còn góp phần làm sạch không khí đô thị, giúp con người hít thở dễ dàng hơn – theo đúng nghĩa đen.

Nguồn: Tổng hợp