下一代纳米仿生发光植物

新型发光装置

麻省理工学院的工程师们利用植入植物叶子中的特殊纳米颗粒,创造了一种新型的发光植物,可以通过LED充电。在这张图片中,绿色部分是聚集在植物叶片内海绵状叶肉组织表面的纳米颗粒。信用证:由研究人员提供

利用储存并逐渐释放光的纳米粒子,工程师们创造出可以反复充电的发光植物。

使用嵌入植物叶片的特殊纳米颗粒,麻省理工学院工程师们发明了一种可以用LED充电的发光装置。充电10秒后,植物会发光几分钟,它们可以反复充电。

这些植物能产生比太阳高10倍的光第一代发光植物该研究小组于2017年报告。

麻省理工学院化学工程Carbon P. Dubbs教授、这项新研究的资深作者迈克尔·斯特拉诺(Michael Strano)说:“我们想要创造一种发光植物,它的粒子会吸收光,储存一部分光,然后逐渐释放出来。”“这是朝着植物照明迈出的一大步。”

工程师创造出发光的植物

用第一代纳米仿生发光植物照亮了一本书(《失乐园》,约翰·米尔顿著)。信贷:关永国

“用活植物的可再生化学能创造环境光是一个大胆的想法,”麻省理工学院(MIT)建筑学教授希拉·肯尼迪(Sheila Kennedy)说。她是这篇论文的作者之一,曾与斯特拉诺的团队合作研究基于植物的照明。“这代表了我们对活着的植物和用于照明的电能的看法的根本转变。”

这些粒子还可以促进任何其他类型的发光设备的发光,包括斯特拉诺实验室最初开发的设备。这些植物使用含有萤火虫荧光素酶的纳米颗粒来发光。混合和匹配插入活体植物中的功能纳米颗粒以产生新的功能特性的能力是“植物纳米仿生学”新兴领域的一个例子

前麻省理工学院博士后Pavlo Gordichuk是这篇新论文的主要作者,该论文发表在科学的进步.

光电容器

斯特拉诺的实验室多年来一直致力于植物纳米仿生的新领域,该领域旨在通过将不同类型的纳米颗粒植入植物,赋予植物新的特征。他们的第一代发光植物含有携带荧光素酶和荧光素的纳米颗粒,它们共同作用使萤火虫发光。利用这些粒子,研究人员培育出能发出昏暗光线的豆瓣菜植物,这些光线大约是阅读数小时所需光线的千分之一。

在这项新的研究中,斯特拉诺和他的同事希望制造出能够延长光线持续时间并使其更明亮的组件。他们提出了使用电容器的想法,电容器是电路的一部分,可以储存电能并在需要时释放电能。对于发光的植物,可以使用光电容器以光子的形式存储光,然后随着时间的推移逐渐释放。

可充电发光植物

充电10秒后,植物可以明亮地发光几分钟,并且可以重复充电。信用证:由研究人员提供

为了创造他们的“光电容器”,研究人员决定使用一种被称为荧光粉的材料。这些材料可以吸收可见光或紫外光,然后慢慢地以磷光的形式释放出来。研究人员使用了一种叫做铝酸锶的化合物作为他们的荧光粉,这种化合物可以形成纳米颗粒。在将它们植入植物之前,研究人员将微粒包裹在二氧化硅上,以保护植物免受损害。

这些颗粒直径数百纳米,可以通过气孔(位于叶子表面的小孔)注入植物体内。这些颗粒聚集在一个称为叶肉的海绵层中,在那里它们形成一层薄膜。研究人员说,这项新研究的一个主要结论是,活体植物的叶肉可以显示这些光子粒子,而不会损害植物或牺牲光照特性。

这种薄膜可以吸收来自阳光或LED的光子。研究人员表示,在蓝色LED照射10秒钟后,他们的植物可以发出约一个小时的光。在开始的五分钟里,光线最亮,然后逐渐减弱。正如该团队2019年在史密森尼设计学院(Smithsonian Institute of Design)的实验展览上展示的那样,这些植物可以持续充电至少两周。

泰国象耳

研究人员表示,他们可以照亮一种名为泰国象耳的植物的叶子,这种植物可能超过一英尺宽,这个尺寸可以使这种植物用作户外光源。资料来源:研究人员提供

Gordiichuk说:“我们需要一种强烈的光,以脉冲的形式传递几秒钟,这样就可以给它充电。”“我们还证明,我们可以使用大镜头,如菲涅耳镜头,将放大的光传输超过一米的距离。这是朝着创造人们可以使用的照明规模迈出的良好一步。”

“史密森学会的植物属性展览展示了未来的愿景,活体植物的照明基础设施是人们工作和生活空间的组成部分,”肯尼迪说。“如果活着的植物可以成为先进技术的起点,那么植物可能会取代我们目前不可持续的城市电网,为包括人类在内的所有依赖植物的物种带来共同利益。”

大规模的照明

麻省理工学院的研究人员发现,“光电容器”方法可以在许多不同的植物物种中工作,包括罗勒、豆瓣菜和烟草,研究人员发现。他们还展示了他们可以照亮一种名为泰国象耳的植物的叶子,这种植物的叶子可以超过一英尺宽,这个尺寸可以使这些植物成为户外照明的光源。

研究人员还调查了纳米颗粒是否会干扰正常的植物功能。他们发现,在10天的时间里,这些植物能够正常进行光合作用,并通过气孔蒸发水分。实验结束后,研究人员能够从植物中提取大约60%的荧光粉,并在另一种植物中重复使用。

斯特拉诺实验室的研究人员现在正致力于将荧光粉电容器粒子与他们在2017年的研究中使用的荧光素酶纳米颗粒结合起来,希望将这两种技术结合起来,可以生产出能够在更长时间内产生更明亮的光的植物。

参考资料:Pavlo Gordichuk、Sarah Coleman、Ge Zhang、Matthias Kuehne、Tedrick T.S.Lew、Minkyung Park、Cui Jianqiao、Allan M.Brooks、Karaghen Hudson、Anne M.Graziano、Daniel J.M.Marshall、Zain Karsan、Sheila Kennedy和Michael S.Strano于2021年9月8日创作的《将活体植物叶肉细胞增强为光子电容器》,科学的进步.
内政部:10.1126/sciadv.abe9733

这项研究由泰国木兰质量发展公司、阿马尔·g·博斯教授研究基金、麻省理工学院高等本科研究机会计划、新加坡科学研究技术局、三星奖学金和德国研究基金会研究基金资助。

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