Lấy cảm hứng từ những cyborgs hư cấu như Terminator (Kẻ hủy diệt), một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Michigan và Đại học Pittsburgh đã có những hạt phỏng sinh học (bionic) đầu tiên từ chất bán dẫn và protein.

Những hạt này tái tạo trung tâm của quá trình cho phép cây cối biến ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu. “Nỗ lực của con người để biến đổi năng lượng của ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu sinh học bằng cách sử dụng vật liệu nhân tạo hoặc thuần sinh vật chỉ có hiệu quả thấp”, Nicholas Kotov, Giáo sư kỹ thuật tại Đại học Michigan, người đứng đầu thí nghiệm, cho biết.

Cách tiếp cận phỏng sinh học có thể thay đổi điều đó. Các hạt phỏng sinh học pha trộn những điểm mạnh của các vật liệu vô cơ, có thể dễ dàng chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện tử, với các phân tử sinh học có chức năng hóa học đã được phát triển cao qua quá trình tiến hóa.

Nhóm nghiên cứu đầu tiên thiết kế các hạt kết hợp cadmium telluride, một chất bán dẫn thường được sử dụng trong pin năng lượng mặt trời, với cytochrome C, một protein được cây cối sử dụng để vận chuyển điện tử trong quang hợp. Với sự kết hợp này, chất bán dẫn có thể biến tia nắng mặt trời thành một điện tử, còn cytochrome C có thể lấy điện tử đó đi để sử dụng trong các phản ứng hóa học có thể làm sạch ô nhiễm hoặc sản xuất nhiên liệu.

Để diễn ra phản ứng, các phân tử cytochrome C và các hạt nano cadmium telluride phải trao đổi điện tử. Quá trình này sẽ hiệu quả nhất nếu các thành phần được kết nối với nhau, vì vậy nhóm nghiên cứu đã thiết kế một quá trình cho phép chúng tự lắp ráp thành các siêu hạt (superparticles).

Sharon Glotzer, Giáo sư  kỹ thuật hóa học, người chỉ đạo việc mô phỏng, so sánh sự tự lắp ráp với cách mà các bề mặt tế bào sống hình thành, sử dụng lực hấp dẫn vốn mạnh ở quy mô nhỏ nhưng yếu đi khi cấu trúc phát triển. Nhóm nghiên cứu đã khẳng định rằng các hạt bán dẫn và protein lắp ráp một cách tự nhiên thành các hạt lớn hơn, đường kính khoảng 100 nanomet (0,0001 mm).

Nhóm đã sử dụng công thức này cho phản ứng thử nghiệm. Họ biến chất nitrat gây ô nhiễm thành nitrit và oxy, chứng minh rằng các hạt phỏng sinh học có thể khai thác ánh sáng mặt trời để thúc đẩy phản ứng hóa học. Đối với quá trình này, chất bán dẫn và cytochrome C cần sự giúp đỡ từ các enzym khác, được nhóm nghiên cứu đưa vào siêu hạt. Nhờ các điện tử từ cytochrome C, enzyme này có thể loại bỏ oxy từ các phân tử nitrat.

Giống như các cấu trúc thực hiện quang hợp ở thực vật, các hạt bionic mất dần chức năng sau xử lý năng lượng. Nếu như tự nhiên liên tục làm mới các bộ phận hoạt động này trong thực vật, thì các hạt này cũng có thể tự làm mới bản thân thông qua việc tự lắp ráp.

Kotov cho biết chúng có khả năng hoạt động trong chu kỳ cho phép các hạt có thời gian lắp ráp lại sau khi bị mòn trong quá trình hoạt động. Ông giải thích rằng việc tự lắp ráp xảy ra vì hai loại khối kiến thiết này có kích thước và điện tích giống nhau.

“Nếu các hạt nano vô cơ quá nhỏ, chúng sẽ không lắp ráp lại. Còn nếu quá lớn thì chúng sẽ tách khỏi các protein,” ông nói. “Và nếu các hạt nano và protein có điện tích trái nhau, họ tạo thành những khối lớn và rơi ra khỏi dung dịch”.

Glotzer nói rằng giờ đây họ biết được hiện tượng lắp ráp hoạt động như thế nào, “chúng tôi có thể tìm thấy cả hai nguyên lý thiết kế để tối ưu hóa các điều kiện và mở rộng những phát hiện của chúng tôi sang các loại hệ thống hạt nano-protein khác”.

Một mục tiêu là chuyển hóa cacbon dioxit và nước thành khí tự nhiên, cho phép nhiều cơ sở hạ tầng năng lượng hiện tại tiếp tục hoạt động mà không thải ra cacbon. Nhưng nhóm nghiên cứu xem xét thêm nhiều ứng dụng khác ngoài quang hợp nhân tạo.

“Những nguyên tắc thiết kế này có thể được sử dụng để hướng dẫn các thiết kế tương lai cho các hệ thống phỏng sinh học khác, bắt đầu từ các khối kiến thiết cơ bản của cơ thể sinh vật và máy vô cơ,” Kotov nói. “Rất có thể là Terminator của tương lai sẽ cần phải được chế tạo bắt đầu từ khối kiến thiết như vậy”.

N.M.Q - NASATI, theo Phys.org