Cấu tạo của lá lan gấm: Hướng đi mới cho phát triển các vật liệu quang học

Nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Advanced Optical Materials, do Giulia Guidetti và Fiorenzo Omenetto từ Đại học Tufts dẫn đầu, đã tiết lộ rằng lá của loài lan này có khả năng hấp thụ ánh sáng gấp ba lần so với các loài thực vật khác nhờ cấu trúc tế bào đặc biệt.

Nghiên cứu bắt nguồn từ khi Giulia Guidetti bị thu hút bởi vẻ ngoài lấp lánh của lá cây lan gấm, cô đã quyết định nghiên cứu kỹ lưỡng cấu trúc của chúng dưới kính hiển vi. Giulia Guidetti phát hiện rằng bề mặt lá của loài cây này không phẳng như những loài thực vật thông thường, mà có các tế bào dạng vòm. Điều này giúp tăng cường khả năng quang hợp bằng cách phân tán ánh sáng trên toàn bộ bề mặt lá, cho phép ngay cả các tế bào không được chiếu sáng trực tiếp cũng có thể tham gia vào quá trình chuyển hóa quang năng.

Các tế bào dạng vòm của cây lan gấm tạo nên một mạng lưới quang học sống động, cho phép ánh sáng di chuyển từ tế bào này sang tế bào khác một cách hiệu quả. Đây là điểm độc đáo mà các nghiên cứu trước đây chưa đề cập đến, mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về hình dạng nón của tế bào trong các loài thực vật khác.

Nhằm hiểu rõ hơn về cơ chế quang học này, các nhà nghiên cứu đã sao chép cấu trúc của lá lan gấm bằng cách sử dụng một lớp mỏng silicon polymer và một loại vật liệu sinh học từ protein tơ tằm. Bản sao này tái hiện chính xác hình dạng và cách sắp xếp tế bào của lá cây, từ đó giúp kiểm nghiệm khả năng hấp thụ và phân phối ánh sáng tương tự như ở lá thật.

Thú vị hơn, khi thêm thuốc nhuộm vào vật liệu tơ tằm, Guidetti và Omenetto đã quan sát được cách ánh sáng di chuyển qua mạng lưới tế bào, minh chứng cho khả năng truyền tải và xử lý ánh sáng của cấu trúc này. Họ nhận định rằng những mạng lưới quang học sống dựa trên mô hình của lá cây có thể trở thành nguồn cảm hứng cho việc thiết kế các vật liệu chức năng mới, đặc biệt trong lĩnh vực năng lượng mặt trời.

Omenetto thậm chí dự đoán rằng các tấm pin năng lượng mặt trời làm từ vật liệu này có thể vượt xa hiệu suất của các tấm pin hiện tại, nhờ vào khả năng thu nhận và phân phối ánh sáng vượt trội. Hiện nhóm nghiên cứu đang tiến hành các thí nghiệm mới để tìm hiểu thêm về cách thức hoạt động của mạng lưới quang học này dưới các điều kiện ánh sáng khác nhau.

Những khám phá này làm sáng tỏ một khía cạnh mới trong nghiên cứu thực vật học và mở ra những hướng đi mới cho công nghệ quang học bền vững, với tiềm năng thay đổi cách chúng ta tiếp cận và sử dụng năng lượng mặt trời.