Loài thực vật làm mát kết hợp chiếu sáng cho đô thị

Sử dụng các hạt nano chuyên dụng nhúng vào lá cây, các kỹ sư của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) của Anh đã tạo ra một loại cây phát sáng. Các nhà nghiên cứu cho biết các loài cây này có thể vừa làm mát đô thị và đồng thời cũng có thể thay thế lưới điện chiếu sáng đô thị không bền vững hiện tại của chúng ta. 

Những cây này có thể tạo ra ánh sáng sáng gấp 10 lần so với thế hệ cây phát sáng đầu tiên mà nhóm nghiên cứu của Viện MIT đã công bố vào năm 2017. Loài cây này cũng có thể được sạc bằng LED. Sau 10 giây sạc, cây phát sáng rực rỡ trong vài phút và có thể sạc lại nhiều lần.

Michael Strano, Giáo sư Kỹ thuật Hóa học Carbon P. Dubbs tại MIT và là tác giả chính của nghiên cứu mới cho biết: “Chúng tôi muốn tạo ra một loại cây phát sáng với các hạt sẽ hấp thụ ánh sáng, lưu trữ một số ánh sáng và phát ra dần dần. Đây là một bước tiến lớn đối với chiếu sáng dựa trên thực vật”.

Vào năm 2017 các nhà khoa học của Viện MIT đã sử dụng các hạt nano có chứa enzyme luciferase, được tìm thấy trong đom đóm, để tạo ra ánh sáng. Khả năng trộn và kết hợp các hạt nano chức năng được đưa vào một cây sống để tạo ra các đặc tính chức năng mới là một ví dụ về lĩnh vực “thực vật nano sinh học” mới nổi lên này.

Phát minh Tụ điện cho cây phát sáng

Phòng thí nghiệm của Strano đã làm việc được vài năm trong lĩnh vực mới về thực vật nano sinh học, nhằm mục đích cung cấp cho thực vật những đặc điểm mới lạ bằng cách nhúng chúng với các loại hạt nano khác nhau.

Thế hệ thực vật phát sáng đầu tiên của họ chứa các hạt nano mang luciferase và luciferin, hoạt động cùng nhau để tạo ra ánh sáng như của đom đóm. Sử dụng các hạt này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra cây cải xoong có thể phát ra ánh sáng mờ, khoảng 1/1000 lượng ánh sáng cần thiết để đọc sách trong vài giờ.

Trong nghiên cứu mới, Strano và các đồng nghiệp của ông đã tạo ra các thành phần có thể kéo dài thời lượng của ánh sáng và làm cho nó sáng hơn. Họ nảy ra ý tưởng sử dụng tụ điện, là một phần của mạch điện có thể lưu trữ điện năng và giải phóng điện năng khi cần thiết. Trong trường hợp cây phát sáng, có thể sử dụng tụ điện ánh sáng để lưu trữ ánh sáng dưới dạng photon, sau đó giải phóng dần dần theo thời gian.

Sau 10 giây sạc, cây phát sáng rực rỡ trong vài phút và có thể sạc lại nhiều lần. (Ảnh: Các nhà nghiên cứu của MIT)

Để tạo ra “tụ điện ánh sáng”, các nhà nghiên cứu đã quyết định sử dụng một loại vật liệu được gọi là phốt pho. Những vật liệu này có thể hấp thụ ánh sáng khả kiến hoặc tia cực tím và sau đó từ từ giải phóng nó dưới dạng ánh sáng lân quang. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một hợp chất gọi là stronti aluminat, có thể được tạo thành các hạt nano, làm chất lân quang của chúng. Trước khi đưa chúng vào thực vật, các nhà nghiên cứu đã phủ các hạt trong silica để bảo vệ thực vật khỏi bị hư hại.

Các hạt có đường kính vài trăm nanomet này có thể được truyền vào thực vật thông qua khí khổng—các lỗ nhỏ nằm trên bề mặt của lá. Các hạt tích tụ trong một lớp xốp gọi là mesophyll, nơi chúng tạo thành một màng mỏng.

Sử dụng các hạt nano chuyên dụng được nhúng trong lá cây, các kỹ sư của MIT đã tạo ra một loại cây phát sáng mới có thể được sạc bằng LED. Trong hình ảnh này, các phần màu xanh lá cây là các hạt nano đã được tập hợp trên bề mặt của mô trung bì xốp trong lá cây. (Ảnh: Viện Công nghệ Massachusetts)

Các nhà nghiên cứu cho biết, một kết luận chính của nghiên cứu mới là lớp trung bì của thực vật sống có thể được tạo ra để hiển thị các hạt quang tử này mà không làm tổn thương thực vật hoặc làm mất đi các đặc tính chiếu sáng.

Lớp trung bì này có thể hấp thụ các photon từ ánh sáng mặt trời hoặc LED. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng sau 10 giây tiếp xúc với ánh sáng LED xanh lam, cây của họ có thể phát ra ánh sáng trong khoảng một giờ. Ánh sáng sáng nhất trong năm phút đầu tiên và sau đó giảm dần. Các cây này có thể được sạc lại liên tục trong ít nhất hai tuần, như nhóm đã trình diễn trong một cuộc triển lãm thử nghiệm tại Viện Thiết kế Smithsonian vào năm 2019.

“Chúng tôi cần có ánh sáng cường độ cao, được truyền dưới dạng một xung trong vài giây để sạc pin cho tụ điện”, Pavlo Gordiichuk, cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại MIT, là tác giả chính của bài báo mới, đăng trên trang Science Advances nói. “Chúng tôi cũng có thể sử dụng các thấu kính lớn, chẳng hạn như thấu kính Fresnel, để truyền ánh sáng được khuếch đại ra khoảng cách hơn một mét. Đây là một bước tiến tốt để tạo ra ánh sáng ở quy mô mà có thể sử dụng để chiếu sáng đô thị”.

Sheila Kennedy, giáo sư kiến trúc tại MIT và là tác giả của bài báo, người đã làm việc với nhóm của Strano về ánh sáng dựa trên thực vật, cho biết: “Triển lãm Thuộc tính thực vật tại Smithsonian đã thể hiện tầm nhìn tương lai cho việc chiếu sáng tại các cơ sở hạ tầng bằng thực vật sống’ là một phần không thể thiếu trong không gian nơi mọi người làm việc và sinh sống”.

Ông nói tiếp: “Nếu cây phát sáng là điểm khởi đầu của công nghệ tiên tiến, thì nó có thể thay thế lưới điện chiếu sáng đô thị không bền vững hiện tại của chúng ta; vì lợi ích chung của tất cả các loài sống phụ thuộc vào thực vật—bao gồm cả con người”.

Ánh Dương tổng hợp

Bạn bình luận gì về tin này?