Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Hệ thống truyền năng lượng lai ghép bắt chước quá trình quang hợp (06/06/2014)

Các nhà khoa học thuộc trường Đại học Southampton cộng tác với các trường đại học Sheffield và Crete phát triển một hệ thống truyền năng lượng lai ghép mới mô phỏng các quy trình dẫn đến quang hợp.

Thiết bị bẫy photon ở giữa hai tấm gương, nơi có sự hiện diện hai loại phân tử hữu cơ khác nhau

Các quá trình từ quang hợp đến hô hấp, hấp thụ và chuyển hóa ánh sáng thành năng lượng tất cả đều đại diện cho những phản ứng cơ bản và chủ yếu diễn ra trong một hệ thống sinh học sống bất kỳ.

Hệ thống chuyển hóa năng lượng đó được gọi là hiệu ứng Truyền năng lượng cộng hưởng Forster (FRET), đây là sự truyền năng lượng phi bức xạ xảy ra ở phạm vi nano, từ một phân tử cho (donor) đến một phân tử nhận (acceptor). Phân tử cho là chất nhuộm màu hay chất mang màu hấp thụ năng lượng ban đầu và phân tử nhận là vật mang màu đến nơi mà năng lượng cuối cùng được truyền đến, không xảy ra bất cứ sự va chạm phân tử nào. Tuy nhiên, FRET là quá trình bị phụ thuộc vào khoảng cách, chỉ xảy ra ở thang độ đặc trưng từ 1 đến 10 nm.

Trong công trình nghiên cứu mới được công bố trên Tạp chí Nature Materials, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra một quy trình truyền năng lượng phi bức xạ giữa các phân tử, trong đó lợi dụng vai trò trung gian của ánh sáng bị mắc kẹt trong một hốc quang. Ưu điểm của kỹ thuật mới khai thác sự hình thành trạng thái lượng tử hỗn hợp giữa ánh sáng và vật chất, đó là khoảng cách xảy ra mối tương tác trên thực tế dài hơn đáng kể so với các quy trình dạng FRET thông thường.

Theo tiến sĩ Niccolo Somaschi, đồng tác giả công trình nghiên cứu thuộc nhóm Hybrid Photonics của trường Đại học Southampton (do Giáo sư Pavlos Lagoudakis dẫn đầu) cho biết, khả năng truyền năng lượng qua những khoảng cách tương đương chiều dài bước sóng ánh sáng có tiềm năng đáng quan tâm về cả hai khía cạnh ứng dụng và cơ bản. Sự hiểu biết sâu của chúng ta về chuyển hóa năng lượng làm sáng tỏ các cơ chế cơ bản đằng sau quá trình quang hợp trong các hệ thống sinh học và qua đó cho phép chúng ta tiến gần hơn đến khả năng tái tạo các hệ thống tổng hợp bắt chước hoàn toàn các chức năng sinh học. Về khía cạnh cơ bản, công trình nghiên cứu hiện nay cho thấy sự kết hợp giữa các phân tử có thể liên quan trực tiếp đến quá trình truyền năng lượng xảy ra trong quá trình quang hợp.

Thay vào đó, về triển vọng ứng dụng, các chất bán dẫn hữu cơ vẫn tiếp tục nhận được sự quan tâm đáng kể đối với ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử, ví dụ như các thiết bị phát sáng hay quang điện, trong đó hiệu suất phụ thuộc vào khả năng kiểm soát sự  hình thành và vận chuyển vật mang trong các hệ phân tử.

Thiết bị mới bao gồm một hốc quang được tạo ra bằng hai tấm gương kim loại để bẫy photon trong một không gian hạn chế, là nơi trú ngụ của hai phân tử hữu cơ khác nhau. Bằng cách chế tạo không gian giữa các tấm gương dựa trên các đặc tính quang của vật liệu hữu cơ, có thể tạo ra một trạng thái lượng tử mới là sự kết hợp giữa các photon bị bẫy và trạng thái kích thích trong các phân tử. Các photon về bản chất có thể gắn các trạng thái cơ học lượng tử với nhau, tạo nên một loại hạt nửa ánh sáng nửa vật chất mới được gọi là hạt phân cực (polariton), thực hiện chức năng truyền năng lượng hiệu quả từ vật liệu này đến vật liệu khác.

Nguồn: www.vista.vn (Theo: ScienceDaily)