Tấm pin mặt trời hoạt động tốt trong điều kiện ánh sáng mặt trời đầy đủ, nhưng nhiều vùng có ít ánh sáng mặt trời vào bất kỳ ngày nào, nghĩa là năng lượng được tạo ra ít hơn mức cần thiết. Hiện nay, các nhà nghiên cứu của Tufts đã phát hiện ra rằng một loại hoa lan ngọc đặc biệt, phát triển mạnh trong điều kiện ánh sáng yếu, có thể cung cấp chìa khóa để giải quyết vấn đề này.
Hình ảnh phản chiếu trường sáng của hai vùng lá Macodes petola cho thấy mạng lục giác bậc ngắn được đóng gói chặt chẽ với sự phân phối lại ánh sáng trong mặt phẳng giữa các tế bào thông qua giao tiếp chéo (hình chữ nhật màu xanh lam và màu vàng). Tín dụng: Vật liệu quang học tiên tiến (2024). DOI: 10.1002/adom.202401729
Các giảng viên của Khoa Kỹ thuật là Giulia Guidetti và Fiorenzo Omenetto đã báo cáo trong một bài báo đăng trên Tạp chí Advanced Optical Materials rằng lá của loài lan Macodes petola jewel được tạo thành từ các tế bào hình vòm cho phép chúng thu được lượng ánh sáng gấp ba lần so với các tế bào "da" của cây thông thường và chia sẻ ánh sáng đó với các tế bào lân cận, về cơ bản hoạt động như một mạng lưới quang học.
Quá trình kết nối mạng này tối đa hóa ánh sáng mà cây có thể sử dụng để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học, rất cần thiết cho hoạt động của cây.
Các nhà nghiên cứu đã sao chép các mẫu tế bào đó bằng vật liệu sinh học gốc protein tơ tằm, mô phỏng khả năng thu thập ánh sáng và kết nối quang học của hoa lan, và cho rằng các tấm pin mặt trời làm từ vật liệu như vậy "sẽ vượt xa các tấm pin mặt trời linh hoạt hiện có ngày nay", Omenetto, Giáo sư Kỹ thuật Frank C. Doble và giám đốc Silklab tại Tufts cho biết.
Hiện nay, Guidetti, trợ lý giáo sư nghiên cứu tại Khoa Kỹ thuật Y sinh, và Omenetto đã nhận được khoản tài trợ để tiếp tục nghiên cứu hệ thống thu thập ánh sáng của cây trồng và khả năng ứng dụng mạng lưới quang học của hệ thống đó để nâng cao hiệu quả năng lượng mặt trời.
Một mô hình hấp dẫn
Guidetti tình cờ phát hiện ra đặc tính đặc biệt của loài cây này. Bà cho biết trong thời gian xảy ra đại dịch, bà đã mua nhiều cây cảnh trong nhà, đặc biệt bị thu hút bởi những cây có lá sáng bóng, trông như kim loại và bà bắt đầu quan tâm đến điều gì khiến chúng trở nên như vậy.
"Tôi đặt chúng dưới kính hiển vi và thấy rằng bề mặt lá của chúng không phẳng, giống như lá thông thường, và chúng có một mô hình vi mô", cô nói. "Tất cả đều do sự tò mò thúc đẩy".
Cây hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển hóa thành glucose—một dạng năng lượng duy trì mọi sự sống trên Trái Đất. Các tế bào biểu bì—hay da—của cây chịu trách nhiệm hấp thụ ánh sáng mặt trời.
Các báo cáo thực vật học đã ghi nhận hình nón của các tế bào này ở một số loài lan ngọc, với gợi ý rằng chúng có thể cải thiện hiệu quả tập trung ánh sáng để tối đa hóa quá trình chuyển đổi thành năng lượng, điều cần thiết cho một loài thực vật tồn tại trong tự nhiên trong điều kiện ánh sáng yếu.
Nhưng Guidetti và Omenetto cho biết trong bài báo của họ rằng các nhà nghiên cứu khác chưa tìm hiểu xem hình dạng và sự sắp xếp của tế bào có thể ảnh hưởng như thế nào đến khả năng quang hợp năng lượng ánh sáng của nó.
Phản ứng quang học của lá cây thuộc chi Orchidaceae: Macodes petola, Ludisia discolor, Anoectochilus roxburghii và Phalenopsis phantom (lan phổ biến). Tín dụng: Vật liệu quang học tiên tiến (2024). DOI: 10.1002/adom.202401729
Khi quan sát rất kỹ loài lan Macodes petola jewel, họ thấy các tế bào bề mặt không phẳng hoặc hình nón như nhiều loài thực vật khác mà giống hình mái vòm hơn, Guidetti, phó giám đốc của Silklab, cho biết.
Bà cho biết: "Chúng tôi cho rằng cách thức hoạt động của nó là ánh sáng đến từ phía trên, thay vì chỉ tập trung vào bên trong lá nơi có lục lạp, sự hiện diện của các mái vòm về cơ bản cho phép ánh sáng lan tỏa trên bề mặt lá, cho phép các tế bào không được chiếu sáng trực tiếp thực hiện quá trình quang hợp, do đó mang lại hiệu quả chuyển đổi quang điện cao hơn".
Sao chép các mô hình của thiên nhiên
Sau khi lập bản đồ các loại tế bào bề mặt, các kết nối của chúng và tính biến đổi của chúng, các nhà nghiên cứu quyết định sao chép nó. Họ phủ một lớp mỏng polyme silicon lên bề mặt lá, tạo thành bản sao âm bản của bề mặt lá. Sau đó, họ đổ hỗn hợp protein tơ trong suốt lên trên, tạo ra bản sao chính xác hình dạng vi mô của các mẫu tế bào trên lá.
Lụa, được sản xuất bởi tằm và sau đó được chế biến thành dung dịch gốc nước, đã được Omenetto và các nhà nghiên cứu khác của Silklab sử dụng để tạo ra rất nhiều loại sản phẩm, từ thiết bị điện tử có thể hấp thụ đến cảm biến tương thích sinh học. Omenetto cho biết lụa cũng được bán trên thị trường với quy mô lớn, với khoảng nửa triệu tấn được sản xuất mỗi năm tại các trang trại nuôi tằm.
Các nhà nghiên cứu viết rằng phiên bản lá làm từ tơ "tái tạo một cách trung thực" hình dạng tròn của các tế bào thực vật cùng với sự sắp xếp hình lục giác của chúng và "sự giao tiếp chéo được thấy giữa các tế bào lân cận khi được chiếu sáng bằng ánh sáng khả kiến, tương tự như sự giao tiếp được quan sát thấy ở lá cây".
Guidetti và Omenetto đã thêm thuốc nhuộm vào vật liệu tơ tằm được sử dụng trong lá cây nhân bản, cho phép chúng theo dõi ánh sáng khi nó di chuyển từ tế bào này sang tế bào khác. Vật liệu sinh học này cũng mô phỏng các đường cong và độ mềm của lá, một lần nữa cho phép tiếp cận ánh sáng tốt hơn và khả năng phân phối ánh sáng trên khắp lá.
Guidetti và Omenetto viết: "Những mạng lưới quang học sống dựa trên thực vật như vậy có thể đóng vai trò là nguồn cảm hứng cho việc thiết kế các vật liệu chức năng có khả năng thu thập, điều khiển và xử lý ánh sáng hiệu quả với các định dạng vật liệu mềm, phù hợp và bền vững, như đã được chứng minh sơ bộ bằng cách sao chép cấu trúc sống của lá cây".
Omenetto cho biết thêm: "Đây là "cuộc trình diễn đầu tiên về mạng lưới quang học trong một hệ thống sống, bởi vì chưa từng có điều gì tương tự như vậy được báo cáo trước đây ở bất kỳ loài thực vật nào hoặc bất kỳ ai theo như chúng tôi biết - một hệ thống có thể quản lý ánh sáng thông qua một cụm thấu kính tế bào được lắp ráp có trật tự".
Các nhà nghiên cứu hiện đang sàng lọc các loài thực vật khác trong họ lan ngọc, so sánh hình dạng của tế bào thực vật với hình dạng tồn tại trong điều kiện ánh sáng trung bình và cao, đồng thời chế tạo bản sao cấu trúc của lá, tìm kiếm những loài thực vật có khả năng hấp thụ ánh sáng hiệu quả hơn nữa.
Họ cũng có kế hoạch thử nghiệm để xem liệu việc thay đổi điều kiện ánh sáng mà hoa lan ngọc trải qua có thể thay đổi cách thức hoạt động của mạng lưới chia sẻ ánh sáng hay không.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
