Quá trình tự sắp xếp của vi khuẩn đỏ giúp pin mặt trời hiệu quả hơn

Vi khuẩn đỏ là một trong những thực thể sống đầu tiên trên trái đất. Chúng sống dưới đáy hồ hay trong những rặng san hô dưới đáy biển, sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng sống. Các nhà khoa học nghĩ rằng họ đã khám phá hết mọi thứ về vi khuẩn đỏ, nhưng mới đây, Neil Johnson, một nhà vật lý của trường đại học Miami, đã tìm ra những thuộc tính mới của những sinh vật nguyên thủy này.

Vi khuẩn đỏ rất linh hoạt trong điều kiện có ánh sáng mạnh, chúng tự sắp xếp thành nhiều dạng khác nhau. Johnson nói: “Chúng tôi đang nghiên cứu phát triển một mô hình toán học để miêu tả những dạng mà vi khuẩn đỏ có thể sắp xếp, qua đó giúp cho việc nghiên cứu những mẫu thiết kế tương lai của các thiết bị quang điện.”

Năng lượng mặt trời chiếu xuống các tế bào của vi khuẩn đỏ dưới dạng các “hạt” ánh sáng gọi là các photon, được hấp thụ bởi cơ chế hút ánh sáng nằm trong một kết cấu đặc biệt, được gọi là màng quang hợp. Trong tấm màng này, ánh sáng được chuyển hóa thành năng lượng hóa học giúp tế bào hoạt động. Bộ máy quang hợp có hai tổ hợp hấp thụ ánh sáng. Tổ hợp thứ nhất hấp thụ các hạt photon và đẩy chúng sang tổ hợp thứ hai, được gọi là trung tâm phản ứng (RC), tại đây năng lượng mặt trời sẽ được chuyển hóa thành năng lượng hóa học. Khi các RC đã hấp thụ đủ ánh sáng, chúng sẽ đóng lại trong lúc năng lượng được chuyển hóa.

Theo kết quả nghiên cứu, vi khuẩn đỏ thích ứng với nhiều cường độ ánh sáng khác nhau bằng cách thay đổi cấu trúc của cơ chế hấp thụ ánh sáng, nhưng không phải theo cách mà nhiều người phỏng đoán bằng trực giác.

Johnson cho biết: “Có người cho rằng nếu tế bào nhận được càng nhiều ánh sáng thì sẽ càng có nhiều trung tâm phản ứng. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng vậy, vì với mỗi lần phân chia, vi khuẩn đỏ lại tạo ra một cấu trúc mới để cân bằng giữa nhu cầu tối đa hóa số hạt photon được hấp thụ để chuyển hóa thành năng lượng hóa học, với nhu cầu bảo vệ tế bào không bị tổn thương do thừa quá nhiều năng lượng.”

Để giúp mọi người hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của vi khuẩn đỏ, Johnson đưa ra một ví dụ: “Hãy tưởng tượng bạn đang ở siêu thị trong một ngày thực sự bận rộn, và các quầy thanh toán tiền điều kín người. Những người mua hàng phải lượn lờ quanh siêu thị để tìm một quầy thanh toán vắng vẻ, một vài người sẽ thấy chán nản và bỏ về. Vi khuẩn đỏ cũng giống như một siêu thị rất có trách nhiệm. Chúng thà để mất một vài khách hàng hơn là để siêu thị bị quá tải, nhưng vẫn có đủ lợi nhuận để tồn tại.”

Nghiên cứu của Johnson đã phát triển mô hình phân tích đầu tiên giải thích về “cường độ áng sáng tới hạn”, mà dưới đó tế bào sẽ tăng cường các trung tâm phản ứng và biến chúng thành những vị trí có hiệu suất cao nhất. Điều này xảy ra là do tế bào có những vị trí tốt nhất cho các RC và lượng năng lượng bị mất là ít nhất.

Với khám phá này, pin mặt trời sẽ có hiệu suất cao hơn nếu được phủ một lớp vi khuẩn quang hợp đặc biệt. Những tấm pin mặt trời này có thể tự thích nghi với các cường độ ánh sáng khác nhau. Mục đích của các nhà nghiên cứu là tìm ra giải pháp còn tốt hơn những gì vi khuẩn đỏ làm được. Họ thậm chí dùng đến cả những siêu máy tính, nhưng đó là nhiệm vụ cực kỳ khó khăn vì tự nhiên đã phát triển những cơ chế này trong hàng tỷ năm qua.

Minh Đức theo greenoptimistic.com