Cây thông tùng Nhật Bản được trồng không có (trái) và có (phải) sử dụng tấm vật liệu chuyển đổi bước sóng (WCM). Nguồn: Sunao Shoji và cộng sự, Scientific Reports. 26/10/2022.

Một nhóm liên ngành từ các khoa Kỹ thuật và Nông nghiệp của Đại học Hokkaido và Viện Thiết kế và Khám phá Phản ứng Hóa học (WPI-ICReDD) đã phát triển một lớp phủ màng mỏng europium có tác dụng làm tăng tốc độ phát triển của thực vật. Công nghệ này có thể cải thiện tốc độ sản xuất của thực vật và có tiềm năng giúp giải quyết các vấn đề cung cấp lương thực toàn cầu.

Tấm phim theo công nghệ mới chuyển ánh sáng tia cực tím sang ánh sáng đỏ. Nguồn: ICReDD.

Thực vật chuyển đổi ánh sáng nhìn thấy thành năng lượng thông qua một quá trình gọi là quang hợp. Ngoài ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng mặt trời còn chứa tia cực tím (UV). Các nhà nghiên cứu cung cấp cho thực vật thêm ánh sáng nhìn thấy để sử dụng trong quá trình quang hợp bằng cách sử dụng vật liệu chuyển đổi bước sóng (WCM) có thể chuyển đổi ánh sáng UV thành ánh sáng đỏ.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển vật liệu chuyển đổi bước sóng WCM dựa trên phức hợp europium và tạo ra một lớp phủ màng mỏng có thể được áp dụng cho các tấm nhựa bán sẵn trên thị trường. Các nhà nghiên cứu đưa ra kết quả phim chuyển đổi ánh sáng UV thành ánh sáng đỏ và khẳng định phim không chặn bất kỳ ánh sáng nhìn thấy có lợi nào từ mặt trời. Sau đó, tấm phim được kiểm tra bằng cách so sánh sự phát triển của thực vật thông qua việc sử dụng các tấm có và không có lớp phủ WCM. Các thử nghiệm đã được thực hiện cho cả cây cải cầu vồng, rau ăn lá và cây thông Nhật Bản. Vào mùa hè, khi ngày dài và bức xạ mặt trời mạnh, không có sự khác biệt đáng kể nào đối với cải cầu vồng khi sử dụng phim WCM. Tuy nhiên, vào mùa đông, khi ngày ngắn hơn và ánh sáng mặt trời yếu hơn, các cây cải này được trồng bằng màng WCM cho thấy chiều cao cây lớn hơn 1,2 lần và sinh khối lớn hơn 1,4 lần sau 63 ngày. Các nhà nghiên cứu cho rằng sự tăng trưởng nhanh chóng này là do sự gia tăng cung cấp ánh sáng đỏ do các phim WCM cung cấp.

(a) Sơ đồ màng WCM chuyển đổi ánh sáng UV sang ánh sáng đỏ (trái) và cấu trúc phân tử của các thành phần tấm phim (phải). (b) Hình ảnh các tấm nhựa có và không có lớp phủ WCM. (c) Quang phổ mặt trời cho biết các bước sóng được hấp thụ và phát ra bởi phim WCM. Nguồn: Sunao Shoji và cộng sự. Scientific Reports. 26/10/2022.

Các thử nghiệm liên quan đến cây thông Nhật Bản cũng cho thấy tốc độ tăng trưởng nhanh. Cây con cho tốc độ tăng trưởng tương đối cao hơn trong 4 tháng sinh trưởng ban đầu, dẫn đến đường kính thân lớn hơn 1,2 lần và tổng sinh khối lớn hơn 1,4 lần so với cây trồng không có lớp phủ WCM. Điều quan trọng là điều này giúp cây con đạt được kích thước tiêu chuẩn để trồng ở Hokkaido trong vòng một năm. Sử dụng màng WCM có thể rút ngắn thời gian sinh trưởng của cây con từ hai năm xuống một năm, dẫn đến tiết kiệm chi phí sản xuất hơn.

Công nghệ này cũng có tiềm năng giúp giải quyết các vấn đề an ninh lương thực ở những vùng có khí hậu lạnh và có lợi vì nó không yêu cầu bất kỳ nguồn điện nào để hoạt động. Các nhà nghiên cứu nhận thấy khả năng tùy biến của công nghệ này hứa hẹn mang đến những kết quả thú vị.

Tác giả chính Sunao Shoji cho biết: “Bằng cách sử dụng một lớp phủ vật liệu thay đổi bước sóng, chúng tôi đã tạo ra thành công một màng trong suốt và chứng minh khả năng tăng tốc độ phát triển của cây trồng. Bằng cách thiết kế hợp lý ion phát sáng, chúng tôi có thể tự do điều khiển màu của ánh sáng phát ra thành các màu khác như xanh lá cây hoặc vàng, vì vậy chúng tôi hy vọng có thể tạo ra các màng chuyển đổi bước sóng được tối ưu hóa cho các loại thực vật khác nhau. Điều này mở ra một con đường phát triển lớn trong tương lai cho kỹ thuật nông nghiệp và lâm nghiệp thế hệ tiếp theo”.

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Đại học Hokkaido.