Trong quá trình quang hợp, thực vật chuyển đổi ánh sáng nhìn thấy thành năng lượng. Nhưng ngoài ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng mặt trời còn chứa ánh sáng tia cực tím (UV). Nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu cung cấp cho cây trồng thêm ánh sáng nhìn thấy nhằm tăng cường hiệu suất trong quá trình quang hợp bằng phương pháp sử dụng vật liệu chuyển đổi bước sóng (WCM) để chuyển đổi ánh sáng UV thành ánh sáng đỏ.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển vật liệu WCM trên cơ sở tổ hợp europium, tạo ra lớp phủ màng mỏng có thể được phủ lên các tấm vải nhựa, đang bán sẵn trên thị trường. Lớp phim mỏng phủ trên vải nhựa sẽ chuyển đổi ánh sáng UV thành ánh sáng đỏ. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh được tấm phim WCM chuyển đổi ánh sáng UV thành ánh sáng đỏ, mà phim không chặn bất kỳ ánh sáng nhìn thấy nào có lợi từ nguồn sáng mặt trời.

Nhóm nhà khoa học đã sử dụng màng mỏng phim để thử nghiệm, so sánh sự phát triển của thực vật bằng phương pháp sử dụng những tấm nhựa có và không có lớp phủ WCM. Các thử nghiệm đã được tiến hành với cây cải cầu vồng Thụy Sĩ, cây rau và cây thông Nhật Bản.

Mùa hè, khi ngày dài và bức xạ mặt trời mạnh, không có sự khác biệt đáng kể nào đối với cải cầu vồng Thụy Sĩ khi sử dụng phim WCM. Nhưng vào mùa đông, khi ngày ngắn hơn và ánh sáng mặt trời yếu, những cây cải cầu vồng Thụy Sĩ được trồng bằng màng WCM cho thấy chiều cao cây lớn hơn 1,2 lần, sinh khối lớn hơn 1,4 lần sau 63 ngày.

Nhóm nghiên cứu cho rằng, sự tăng trưởng nhanh chóng này là do được gia tăng cung cấp ánh sáng đỏ, chuyển hóa từ ánh sáng cực tím qua các phim WCM cung cấp.

Màng phim mới được phát triển chuyển đổi ánh sáng UV thành ánh sáng đỏ. Ảnh: CReDD 

Những thử nghiệm liên quan đến cây thông Nhật Bản cũng cho thấy tốc độ tăng trưởng nhanh. Cây con cho thấy tốc độ tăng trưởng tương đối cao hơn trong bốn tháng sinh trưởng ban đầu, đường kính thân lớn hơn 1,2 lần và tổng sinh khối lớn hơn 1,4 lần so với cây được trồng không có lớp phủ WCM. Vấn đề quan trọng là sử dụng tấm nhựa có lớp phủ WCM giúp cây con đạt được kích thước tiêu chuẩn để trồng trong lâm nghiệp Hokkaido trong vòng một năm. Thực nghiệm đã chứng minh sử dụng màng WCM có thể rút ngắn thời gian sinh trưởng của cây con từ 2 năm xuống 1 năm, cho thấy khả năng sản xuất cây trồng sẽ tiết kiệm chi phí nhiều hơn.

Nhóm nghiên cứu cho biết, công nghệ này có tiềm năng lớn trong việc giải quyết an ninh lương thực ở những vùng khí hậu lạnh. Tấm màng WCM không yêu cầu bất kỳ nguồn điện nào để hoạt động.

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