Sử dụng công nghệ nano để khai thác đặc tính từ đom đóm

Các hạt nano phát ra ánh sáng màu da cam nhờ enzyme của đom đóm (Nguồn: Ảnh từ ĐH Syracuse)

Đâu là điểm chung giữa những con đom đóm, các hạt nano và bóng đèn nhấp nháy? Trong một tương lai không xa, chúng ta sẽ có thể mua được những bóng đèn trang trí với đủ các màu sắc mà không cần đến điện hay pin để phát sáng. Các nhà khoa học tại Đại học Syracuse đã tìm ra phương pháp để tạo ra ánh sáng tự nhiên như cách mà loài đom đóm đã làm (hay còn gọi phát quang sinh học) bằng công nghệ nano. Đây là bước đột phá để tạo ra những sản phẩm cho năng suất cao hơn gấp 20 đến 30 lần so với các bản thử nghiệm trước.


Mathew Maye, trợ giảng hóa học tại Hội nghiên cứu và khoa học tại Đại học Syracuse và Rebeka Alam, một thạc sĩ hóa học tương lai, chính là hai tác giả của ý tưởng này. Maye đồng thời là thành viên của Viện vật liệu sinh học Syracuse (SBI). “Ánh sáng của đom đóm chính là một trong những ví dụ tuyệt vời nhất về phát quang sinh học tự nhiên,” Maye nói. “Ánh sáng rất mạnh và có hiệu suất cao. Chúng tôi đã tìm ra phương pháp mới để có thể kết hợp những tính năng sinh học vào ứng dụng phi sinh học bằng cách tác động lên bề mặt các hợp chất.”
Công trình nghiên cứu của họ có tên gọi, “Thiết kế các hạt lượng tử để tối ưu hóa sự chuyển dịch năng lượng với enzyme Luciferase từ loài đom đóm,” đã được công bố trên tạp chí điện tử Nano Letters vào ngày 23/5 và sắp tới sẽ xuất hiện trên ấn bản bằng giấy. Tham gia vào quá trình này còn có sự cộng tác của Giáo sư Bruce Branchini và Giáo sư Danielle Fontaine, cả hai đều đến từ Đại học Connecticut.
Như chúng ta đều biết, loài đom đóm tạo ra ánh sáng nhờ vào phản ứng hóa học giữa luciferin và một chất tương đồng khác, enzyme luciferase. Trong thí nghiệm của Maye, đầu tiên, người ta gắn enzyme lên bề mặt của các hạt nano; sau đó luciferin được đưa vào, đóng vai trò như 1 nhiên liệu đốt. Năng lượng sẽ được giải phóng khi nhiên liệu đốt tương tác với enzyme rồi truyền đến những hạt nano, khiến chúng phát sáng. Quá trình này được gọi là Sự di chuyển năng lượng cộng hưởng phát quang sinh học (BRET).
Theo Maye: “Điểm mấu chốt để nâng cao hiệu suất của quá trình chính là việc giảm thiểu khoảng cách giữa enzyme và bề mặt của hạt nano để tận dụng tối đa cấu trúc lượng tử. Chúng tôi đã tìm ra 1 phương pháp thay đổi cấu trúc di truyền để gắn trực tiếp enzyme lên bề mặt của hạt nano.” Các đồng nghiệp của Maye tại Đại học Connecticut chính là người cung cấp các enzyme luciferase bị biến đổi di truyền này.
Các hạt nano được cấu thành bởi 1 lớp vỏ ngoài cadmium sulfide (Cds) và lớp lõi cadmium seleneide (CdSe). Đây đều là 2 kim loại bán dẫn. Thay đổi kích thước của nhân, và chiều dài của hạt nano sẽ làm thay đổi màu sắc của ánh sáng. Tuy nhiên, ánh sáng nhân tạo trong phòng thí nghiệm không hề giống như ánh sáng của loài đom đóm. Ánh sáng mà Maye thu được có màu xanh lá cây, cam, và đỏ. Trong khi đó, trên thực tế, ánh sáng của loài đom đóm lại có màu vàng nhạt. Hiệu suất của quá trình được tính theo thang độ BRET. Các nhà nghiên cứu nhận thấy, các hạt có hiệu suất cao nhất (đạt thang điểm 44 BRET) có một kết cấu rất đặc biệt (hạt trong hạt) và phát ra ánh sáng có màu nằm trong dải quang phổ cận hồng ngoại.
Mặc dù vậy, thành công của Maye và Alam mới chỉ dừng lại sau cánh cửa phòng thí nghiệm. Các nghiên cứu mới đang được tiến hành nhằm phát triển những phương pháp để có thể duy trì phản ứng hóa học – cũng như quá trình chuyển dịch năng lượng – trong thời gian lâu hơn cùng với hiệu suất cao hơn. Maye tin rằng phương pháp này sẽ mở ra một tương lai triển vọng cho những công nghệ biến đổi trực tiếp từ năng lượng hóa học thành ánh sáng; và tất nhiên, ý tưởng về các hạt nano có thể thay thế cho bóng đèn LED sẽ không còn là điều xa vời.
Nguồn: Sciencedaily.com

CuRua – biên dịch

Authors

Related posts

*

Top