Các nhà khoa học đang tìm cách chế tạo loại vi mạch có khả năng biến ánh sáng thành điện dựa theo phản ứng quang hợp của thực vật. Thực vật tiến hành các phản ứng quang hợp để tạo ra chất dinh dưỡng với tỷ lệ hiệu quả đạt tới 100%. Các pin mặt trời cũng dùng chất bán dẫn silicon để biến ánh sáng thà...
Các nhà khoa học đang tìm cách chế tạo loại vi mạch có khả năng biến ánh sáng thành điện dựa theo phản ứng quang hợp của thực vật.
Thực vật tiến hành các phản ứng quang hợp để tạo ra chất dinh dưỡng với tỷ lệ hiệu quả đạt tới 100%. Các pin mặt trời cũng dùng chất bán dẫn silicon để biến ánh sáng thành điện, song mức độ hiệu quả của chúng chỉ đạt từ 6 tới 25%.
Vì thế Greg Scholes, một giáo sư hóa học của Đại học Toronto tại Canada, nảy ra ý tưởng chế tạo cỗ máy có khả năng quang hợp như lá cây. Họ hy vọng những cỗ máy đó sẽ xuất hiện trong máy tính, thiết bị lưu trữ dữ liệu, động cơ, Discovery cho biết.
“Cây cối là những cỗ máy phức tạp hệt như một chiếc máy bay Boeing 777. Chúng có khả năng điều chỉnh hoạt động ở mọi khâu trong từng giây. Đó là loại máy móc mà chúng tôi muốn chế tạo”, Greg phát biểu.
Ý tưởng của Scholes – được công bố trên tạo chí Nature Chemistry – là chế tạo một vi mạch sinh học có khả năng biến ánh sáng mặt trời thành điện. Loại vi mạch này sẽ trở thành nguồn cung cấp điện cho máy tính, các thiết bị lưu trữ và thậm chí các vi mạch điện tử.
Khi các phân tử thu nhận ánh sáng của cây được kích thích bởi các photon hạt photon trong ánh sáng từ mặt trời, chúng sẽ dao động và truyền năng lượng tới phân tử và tế bào khác. Hiện tượng này giống như một sóng lan truyền trên mặt ao.
“Bạn có thể dùng các vi mạch sinh học ấy để ghi và đọc dữ liệu trên các máy tính hiện nay”, Scholes khẳng định.
Một số nhà khoa học tỏ ra băn khoăn về tính khả thi của vi mạch sinh học. Chris Bardeen, giáo sư hóa học tại Đại học California, nói rằng thách thức lớn nhất sẽ là thu năng lượng từ những ánh sáng có bước sóng khác nhau, chứ không chỉ ánh sáng nhìn thấy.
Alan Aspuru-Guzik, một giáo sư hóa học của Đại học Harvard tại Mỹ, đã tìm hiểu cơ chế quang hợp trong thực vật nhằm tạo ra những tấm pin mặt trời hiệu quả hơn trong tương lai. Ông nhấn mạnh rằng nhiều vấn đề cần được giải quyết trước khi chúng ta chứng kiến sự ra đời của những vi mạch có khả năng quang hợp như lá cây.
“Thực vật có những cơ chế sửa chữa mà chúng ta không thể sao chép. Thách thức lớn về mặt kỹ thuật là tạo ra một loại vật liệu có khả năng thu nhận ánh sáng mặt trời trong 20 năm liên tục mà không xuống cấp”, ông bình luận.
Các nhà khoa học đang theo đuổi một ý tưởng đầy tham vọng: chế tạo vi mạch có thể biến ánh sáng thành điện, mô phỏng cách những chiếc lá thực hiện quang hợp mỗi ngày. Thay vì chỉ khai thác chất bán dẫn silicon theo phương pháp quen thuộc, thiết bị tương lai sẽ học cách thu nhận, truyền dẫn và sử dụng năng lượng giống hệ thống sống. Nếu thành công, công nghệ này có thể mở ra hướng phát triển mới cho máy tính, thiết bị lưu trữ dữ liệu, động cơ và nhiều loại vi mạch điện tử.
Trong tự nhiên, thực vật dùng phản ứng quang hợp để tạo ra chất dinh dưỡng, với tỷ lệ hiệu quả được bài viết nêu có thể đạt tới 100%. Pin mặt trời hiện nay cũng biến ánh sáng thành điện nhờ chất bán dẫn silicon, nhưng hiệu suất chỉ dao động từ 6 tới 25%. Khoảng cách lớn ấy khiến Greg Scholes, giáo sư hóa học của Đại học Toronto tại Canada, đặt câu hỏi liệu con người có thể chế tạo một cỗ máy hoạt động giống lá cây hay không.
Scholes hình dung những cỗ máy tương lai có khả năng điều chỉnh hoạt động liên tục, phối hợp nhiều bộ phận chính xác như một hệ thống sống. Ông ví cây cối với những cỗ máy phức tạp ngang một chiếc máy bay Boeing 777, bởi chúng kiểm soát hàng loạt quá trình trong từng giây. Mục tiêu của nhóm nghiên cứu là tạo ra loại máy móc có khả năng tiếp nhận ánh sáng, xử lý năng lượng và vận hành nhịp nhàng theo nguyên lý tương tự thực vật.
Ý tưởng của Scholes được công bố trên tạp chí Nature Chemistry, tập trung vào một vi mạch sinh học có thể biến ánh sáng mặt trời thành điện năng. Nguồn điện từ vi mạch này được kỳ vọng phục vụ máy tính, thiết bị lưu trữ dữ liệu, thậm chí cung cấp năng lượng cho những vi mạch điện tử khác. Cách tiếp cận ấy không chỉ sao chép hình dáng chiếc lá, mà còn tìm cách tái tạo cơ chế truyền năng lượng tinh vi bên trong các phân tử thu nhận ánh sáng.
Khi được các photon trong ánh sáng mặt trời kích thích, những phân tử thu nhận ánh sáng của cây bắt đầu dao động. Năng lượng sau đó truyền từ phân tử này sang phân tử khác, rồi tiếp tục lan tới những tế bào liên quan trong hệ thống quang hợp. Scholes so sánh quá trình ấy với một làn sóng lan truyền trên mặt ao sau khi có tác động, qua đó giúp người đọc hình dung dòng năng lượng vô hình.
Nếu mô phỏng được cơ chế truyền năng lượng này, các vi mạch sinh học có thể đảm nhận những nhiệm vụ quen thuộc trong công nghệ thông tin. Scholes cho rằng chúng có thể được dùng để ghi và đọc dữ liệu trên các máy tính hiện nay, thay vì chỉ đóng vai trò nguồn điện đơn giản. Khả năng kết hợp thu nhận ánh sáng, truyền năng lượng và xử lý thông tin khiến ý tưởng này trở nên hấp dẫn, dù vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu.
Tuy nhiên, một số nhà khoa học vẫn nghi ngờ tính khả thi của vi mạch sinh học, đặc biệt trước yêu cầu hoạt động ổn định trong điều kiện ánh sáng phức tạp. Chris Bardeen, giáo sư hóa học tại Đại học California, nhận định thách thức lớn nằm ở việc thu năng lượng từ nhiều bước sóng khác nhau, chứ không chỉ từ ánh sáng nhìn thấy. Điều đó có nghĩa vật liệu mới phải xử lý dải ánh sáng rộng, trong khi vẫn duy trì hiệu quả truyền năng lượng.
Alan Aspuru-Guzik, giáo sư hóa học của Đại học Harvard tại Mỹ, nghiên cứu cơ chế quang hợp trong thực vật nhằm hướng tới những tấm pin mặt trời hiệu quả hơn. Ông nhấn mạnh rằng còn nhiều vấn đề phải giải quyết trước khi vi mạch quang hợp như lá cây có thể xuất hiện trong đời sống. Khó khăn lớn nhất là tạo ra vật liệu thu nhận ánh sáng mặt trời liên tục suốt 20 năm mà không xuống cấp, bởi thực vật sở hữu cơ chế sửa chữa tự nhiên rất khó sao chép.
