Các nhà khoa học Trung Quốc ra mắt cây mọng nước phát sáng nhiều màu trong bóng tối: Bước tiến hướng tới hệ thống chiếu sáng bền vững từ thực vật

Cây mọng nước rực sáng: Bước đột phá trong công nghệ chiếu sáng từ thực vật

Hãy tưởng tượng một khu vườn rực lên đủ sắc cầu vồng sau khi mặt trời lặn, hay một bức tường cây sống phát sáng đủ để đọc sách trong bóng tối. Hình ảnh này gợi nhớ đến hệ thực vật phát quang sinh học trong bộ phim Avatar, và nay đã gần với hiện thực hơn nhờ một nhóm nhà khoa học tại Đại học Nông nghiệp Hoa Nam. Đột phá mới đây của họ là tạo ra những cây mọng nước phát sáng trong bóng tối nhiều màu đầu tiên trên thế giới. Chúng được sạc lại bằng ánh sáng mặt trời và có thể mở đường cho các hệ thống chiếu sáng bền vững từ thực vật.

Những cây mọng nước phát quang này được tạo ra bằng cách tiêm các hạt phốt pho được thiết kế đặc biệt vào lá. Chúng phát sáng mạnh như một chiếc đèn ngủ nhỏ, với các màu xanh lá, xanh dương, đỏ và thậm chí cả trắng. Đổi mới này không chỉ bắt mắt mà còn hứa hẹn ứng dụng thiết thực trong chiếu sáng thân thiện với môi trường ở nhà ở, vườn tược và không gian công cộng.

Những cây mọng nước này phát sáng như thế nào?

Bí quyết giúp cây phát sáng nằm ở việc sử dụng các hạt phốt pho phát quang kéo dài—vật liệu tương tự loại có trong đồ chơi và sơn phát sáng trong bóng tối. Khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời hoặc đèn LED, các hạt này hấp thụ năng lượng rồi từ từ phát ra dưới dạng ánh sáng nhìn thấy được trong tối đa hai giờ. Quá trình này đơn giản, tiết kiệm chi phí và không cần biến đổi gen của cây.

Để tạo hiệu ứng, các nhà nghiên cứu nghiền phốt pho (hợp chất gồm stronti và nhôm, được pha thêm các kim loại khác) thành những hạt rộng khoảng 7 micromet—xấp xỉ kích thước của một tế bào hồng cầu ở người. Kích thước này đóng vai trò then chốt: các hạt nano nhỏ hơn dễ dàng di chuyển qua mô cây nhưng chỉ phát sáng mờ, còn các hạt lớn hơn phát sáng mạnh nhưng không thể khuếch tán qua lá. Những hạt "Goldilocks" rộng 7 micromet vừa đủ phù hợp, khuếch tán nhanh và đồng đều khắp phần lá mọng nước, tạo ra ánh sáng rực rỡ, đồng nhất.

Cần tiêm riêng từng chiếc lá; quá trình này mất khoảng 10 phút cho mỗi cây và chi phí vật liệu vào khoảng 1,40 USD. Sau vài phút được sạc dưới ánh nắng hoặc đèn LED trong nhà, cây mọng nước đã xử lý sẽ phát sáng tối đa hai giờ, độ sáng giảm dần theo thời gian. Theo các nhà nghiên cứu, có thể sạc lại ánh sáng nhiều lần trong ít nhất mười ngày.

Vì sao chọn cây mọng nước?

Không phải loại cây nào cũng phù hợp với phương pháp biến đổi để phát sáng này. Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm phương pháp trên nhiều loài, trong đó có cải thìa và trầu bà vàng, nhưng chỉ cây mọng nước—cụ thể là giống Echeveria 'Mebina'—tạo ra ánh sáng mạnh và đồng đều. Nguyên nhân nằm ở cấu trúc đặc biệt của lá cây mọng nước: mô lá dày, mọng nước cùng khoảng trống tương đối lớn giữa các tế bào giúp các hạt phốt pho có kích thước micromet lan tỏa đồng đều, tạo ra ánh sáng kéo dài nhất quán. Ngược lại, các cây có lá mỏng hơn hoặc không hấp thụ được các hạt này, hoặc chỉ phát sáng loang lổ.

Từ khoa học viễn tưởng đến những chiếc đèn ngủ sống

Một phần cảm hứng cho nghiên cứu này đến từ văn hóa đại chúng. Tiến sĩ Shuting Liu, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết nhóm được thôi thúc bởi những loài cây phát sáng trong Avatar và ý tưởng tạo ra hệ thống chiếu sáng sống chạy bằng năng lượng mặt trời. Những nỗ lực trước đây nhằm tạo cây phát sáng bằng kỹ thuật di truyền—chẳng hạn đưa gen đom đóm hoặc nấm vào cây thuốc lá hay dạ yên thảo—chỉ tạo được ánh sáng xanh lá mờ, đồng thời bị hạn chế về màu sắc và độ sáng.

Các phương pháp dựa trên vật liệu, sử dụng những hạt phát sáng được tiêm vào cây, cũng gặp khó khăn về độ sáng và tính đồng đều. Bước đột phá đến khi nhóm nghiên cứu nhận ra rằng việc tối ưu kích thước và thành phần của các hạt phốt pho, đồng thời lựa chọn cây có cấu trúc phù hợp, có thể khắc phục những hạn chế này. Kết quả là những cây mọng nước phát sáng nhiều màu, tạo thành dải màu cầu vồng ngay cả trên một cây duy nhất.

Dựng bức tường ánh sáng

Để chứng minh tiềm năng ứng dụng thực tế của phát minh, các nhà khoa học đã dựng một bức tường gồm 56 cây mọng nước phát sáng. Khi được sạc, bức tường phát ra đủ ánh sáng để chiếu sáng các vật thể xung quanh, thậm chí giúp mọi người đọc chữ trong bóng tối. Công trình sắp đặt bằng cây sống này cho thấy khả năng sử dụng các hệ thống chiếu sáng từ thực vật để tạo ánh sáng dịu trong nhà ở, văn phòng hoặc không gian công cộng, qua đó giảm phụ thuộc vào đèn điện truyền thống và lượng khí thải carbon đi kèm.

Công nghệ này an toàn và bền vững đến mức nào?

Một trong những ưu điểm chính của phương pháp này là sự đơn giản và chi phí thấp. Khác với kỹ thuật di truyền vốn tốn kém và làm dấy lên những lo ngại về quy định, việc tiêm các hạt phốt pho khá đơn giản và không làm thay đổi DNA của cây. Những vật liệu được sử dụng tương tự vật liệu có trong các sản phẩm tiêu dùng và hiện chưa ghi nhận gây hại cho cây trong ngắn hạn. Trong mười ngày theo dõi, các cây mọng nước đã xử lý vẫn phát triển bình thường, không có dấu hiệu bị stress hay tổn thương. Hàm lượng diệp lục, đường và protein vẫn ổn định, cho thấy quá trình này không gây độc cho cây.

Tuy nhiên, độ an toàn lâu dài của các hạt này—đối với cả cây trồng lẫn những người có thể chạm vào hoặc vô tình ăn phải—vẫn đang được nghiên cứu. Các nhà nghiên cứu đang tiến hành thêm những đánh giá an toàn sinh học để bảo đảm cây mọng nước phát sáng có thể được sử dụng an toàn trong nhà ở và không gian công cộng. Các chuyên gia lưu ý rằng dù công nghệ đầy hứa hẹn, vẫn cần nghiên cứu thêm trước khi có thể phổ biến rộng rãi.

Tác động môi trường và triển vọng tương lai

Lợi ích tiềm năng đối với môi trường của công nghệ chiếu sáng từ thực vật là đáng kể. Bằng cách khai thác khả năng tự nhiên của cây trong việc hấp thụ và lưu trữ ánh sáng, kết hợp với vật liệu được chế tạo, các nhà khoa học hy vọng tạo ra những giải pháp thay thế đèn điện có lượng phát thải carbon thấp. Cây phát sáng có thể được dùng để trang trí, làm đèn ngủ hoặc chiếu sáng lối đi và vườn tược. Khi công nghệ được cải tiến, có thể phát triển những cây thân gỗ hoặc cây bụi phát sáng để thay thế đèn đường, qua đó giảm thêm mức tiêu thụ năng lượng và ô nhiễm ánh sáng.

Công nghệ này khác gì so với những loại cây phát sáng khác?

Nỗ lực tạo ra cây phát sáng bắt đầu từ cuối thập niên 1980, khi các nhà nghiên cứu lần đầu đưa gen đom đóm vào cây thuốc lá để tạo ra hiện tượng phát quang sinh học mờ. Gần đây hơn, các công ty như Light Bio đã đưa dạ yên thảo phát sáng được biến đổi gen ra thị trường, nhưng chúng chỉ phát ra ánh sáng xanh lá mờ và có phạm vi ứng dụng thực tế hạn chế. Phương pháp tiêm phốt pho mới nổi bật nhờ độ sáng, dải màu đa dạng và cách ứng dụng đơn giản.

Theo các bài viết trên Nature và Scientific American, việc sử dụng phốt pho phát quang kéo dài cho phép tạo ra dải màu rộng hơn nhiều, gồm đỏ, xanh dương, xanh lá và trắng. Bằng cách kết hợp các loại phốt pho khác nhau, các nhà nghiên cứu thậm chí có thể tạo ra cây phát ánh sáng trắng ấm, dễ chịu hơn khi dùng làm ánh sáng dịu. Quá trình này cũng có thể lặp lại: chỉ cần cho cây tiếp xúc với ánh sáng là có thể sạc lại nhiều lần.

Thách thức và các bước tiếp theo

Dù gây nhiều hào hứng, vẫn còn một số thách thức cần giải quyết trước khi cây mọng nước phát sáng có thể trở thành giải pháp chiếu sáng phổ biến. Phương pháp hiện nay đòi hỏi tiêm riêng từng chiếc lá, tốn nhiều công sức và không phù hợp để sản xuất quy mô lớn. Ánh sáng kéo dài khoảng hai giờ sau khi sạc. Thời lượng này đủ cho nhiều mục đích, nhưng cần tăng thời gian phát sáng và độ sáng nếu muốn công nghệ được ứng dụng rộng rãi hơn.

Các nhà nghiên cứu đang tìm cách tự động hóa quá trình tiêm, kéo dài thời gian phát sáng và điều chỉnh kỹ thuật để áp dụng cho các loài cây khác. Họ cũng đang khảo sát việc sử dụng các hạt phốt pho nhỏ hơn hoặc có hình dạng khác để tăng khả năng khuếch tán và độ sáng. Cần có các nghiên cứu dài hạn để đánh giá tác động đến môi trường và sức khỏe nếu công nghệ được sử dụng rộng rãi.

Phản ứng của công chúng và tác động văn hóa

Thông tin về cây mọng nước phát sáng đã thu hút sự quan tâm rộng rãi trên mạng xã hội và báo chí. Nhiều người say mê ý tưởng về những chiếc đèn ngủ sống và khả năng tạo ra các khu vườn phát sáng kỳ ảo. Công nghệ này cũng gợi liên tưởng đến các thế giới khoa học viễn tưởng và giả tưởng, cho thấy sức hấp dẫn lâu bền của hiện tượng phát quang sinh học trong tự nhiên và văn hóa.

"Nếu những loài cây này có thể phát sáng như đom đóm hay sinh vật biển sâu, chúng có thể trở thành giải pháp chiếu sáng nhà ở hoặc vườn tược vừa đẹp mắt, vừa tiết kiệm chi phí và chạy bằng năng lượng mặt trời," một nhà nghiên cứu nhận xét, thể hiện sự kinh ngạc và niềm tin vào tiềm năng mà dự án khơi gợi.

Tóm tắt

• Các nhà khoa học Trung Quốc đã tạo ra những cây mọng nước phát sáng trong bóng tối nhiều màu đầu tiên trên thế giới bằng cách tiêm các hạt phốt pho phát quang kéo dài vào lá.
• Cây có thể phát sáng màu xanh lá, xanh dương, đỏ và trắng, với độ sáng tương đương một chiếc đèn ngủ nhỏ trong tối đa hai giờ sau khi được sạc bằng ánh nắng hoặc đèn LED.
• Đột phá này dựa trên việc tối ưu kích thước và thành phần của các hạt phốt pho, đồng thời tận dụng cấu trúc đặc biệt của lá cây mọng nước để giúp các hạt khuếch tán đồng đều.
• Phương pháp này đơn giản, tiết kiệm chi phí và không cần biến đổi gen, nhưng phải tiêm riêng từng chiếc lá.
• Các ứng dụng tiềm năng gồm chiếu sáng bền vững từ thực vật cho nhà ở, vườn tược và không gian công cộng; tuy nhiên, cần nghiên cứu thêm về độ an toàn và khả năng mở rộng quy mô.
• Đổi mới này đã khơi gợi trí tưởng tượng của công chúng và có thể mở ra một kỷ nguyên mới cho các hệ thống chiếu sáng sống thân thiện với môi trường.