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植物发光,或能取代城市照明,再造福人类

2021-09-23 11:13:24 5e   作者: 镜清 编译  

美国《MIT News》刊载MIT新闻办公室安妮·特拉福顿(Anne Trafton)的文章[1],介绍MIT化学工程碳吸收教授迈克尔·斯特拉诺(Michael Strano)等人发表在《SCIENCE ADVANCES》杂志上研究成果说,“工程师们利用储存和逐渐释放光的纳米粒子,创造出了可反复充电的发光植物......

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麻省理工学院的工程师们利用嵌入植物叶片中的特殊纳米粒子,创造了一种可通过LED充电的新型发光植物。在这张图像中,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。

美国麻省理工学院(MIT)的工程师们利用嵌入植物叶片中的特殊纳米粒子,创造了一种可以通过LED充电的发光植物。充电10秒后,植物会明亮地发光几分钟,并可反复充电。

这些植物发的光,是这个研究小组2017年报告的第一代发光植物[2]的10倍。

MIT化学工程碳吸收教授、这个新研究报告的资深作者迈克尔·斯特拉诺(Michael Strano)说,“我们想创造一种含有粒子的植物,能吸收、储存某些光并逐渐的发光。”“这是迈向植物照明的一大步。”

麻省理工学院的建筑学教授希拉·肯尼迪(Sheila Kennedy)说,“用活体植物的可再生化学能创造环境光源,是个大胆想法。”“它代表我们对‘活体植物和照明用电’看法上的根本性转变。” 肯尼迪曾与斯特拉诺植物照明小组一起工作,是这个论文的作者之一。

这些粒子还可“促进”任何其他类型发光植物发光,包括斯特拉诺实验室最初开发的那些植物。它们利用含荧光素酶的纳米粒子发光,这种酶是在萤火虫中发现的。这种功能性纳米粒子混合与匹配,有能力插入活体植物,产生新的功能特性,是新兴的“植物纳米仿生学”领域的一个例子。

这篇论文发表在《科学进展》杂志上[3],原MIT博士后帕夫洛·戈迪奇克(Pavlo Gordiichuk),是这篇新论文的主要作者。

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充电10秒后,植物可以明亮地发光几分钟,并可反复充电。

光子“电容器”

斯特拉诺的实验室,几年来一直从事植物纳米仿生学新领域的研究,旨在给植物嵌入不同类型的纳米粒子,赋予植物新的特性。它们的第一代发光植物含纳米粒子,携带的荧光素酶和荧光素共同让萤火虫发光。利用这些粒子,研究人员生成的豆瓣菜植物,可发出昏暗的光,能延续几个小时,大约是“可辨识”亮度的千分之一。

在这项新的研究中,斯特拉诺和他的同事想创造各种“成分”,延长光的持续时间,并使之更明亮。他们想出了使用电容器的想法(构成电路的一部分,可以存储电力,需要时再释放电力)。对于发光植物,光子电容器,可以储存光子,然后逐渐释放。

为了制造他们的“光子电容器”,研究人员决定使用的材料是“荧光粉”。这种材料可以吸收可见光或紫外线,然后以“磷光”的形式慢慢释放出来。研究人员使用铝酸锶化合物,可以形成纳米粒子,作为“荧光粉”。研究人员将这些粒子涂上二氧化硅,然后嵌入植物中,以保护植物免受损害。

这些粒子直径有几百纳米,可以通过位于叶片表面的气孔(小孔)注入植物体内。这些粒子聚集在“叶肉”的海绵层内,形成一层薄膜。研究人员说,这项新研究的主要结论是,活体植物的叶肉,可以显示这些光激粒子,又不损害植物或牺牲灯光的属性。

这种薄膜可以从阳光或LED吸收光子。研究人员曾演展示,暴露在蓝色LED下10秒后,这些植物能发光约一小时。前五分钟光线最亮,然后逐渐减弱。这个团队2019年在史密森研究所的一次实验展览上证实,这些植物至少可连续充电两周。

戈迪奇克说,“我们需要有个强光,每几秒发送一个脉冲,那就可以给它充电了。”“我们还证实,可以使用大透镜,比如菲涅耳透镜,把放大的光传输距离超过一米。这就在创建人们可用照明方面前进了一步。”

肯尼迪说,“史密森学会的植物属性展览证实了未来的愿景:活体植物照明构成的基础设施是人们工作和生活空间不可分割的组成部分。”“如果活体植物可以成为先进技术的起点,植物或许能取代目前不可持续的城市照明电网,以造福所有依赖植物的物种——包括人类。”

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研究人员展示,他们可以照射一种植物称为泰国象耳的的叶子(超过一英尺宽)用作户外“光源”。

大规模照明

MIT的研究人员发现,“光子电容器”方法可用于许多不同的植物物种,包括罗勒属植物、豆瓣菜和烟草。他们还证实,它们能解释“泰国象耳”植物的叶子,宽达一英尺以上,能用这种植物作为“露天光源”。

研究人员还调研了这些纳米粒子是否会干扰植物的正常功能。他们发现,10天之内,植物能正常光合作用,并通过气孔蒸发水分。一旦实验结束,研究人员能从植物中提取大约60%的荧光粉,并重复用于另一种植物。

斯特拉诺的实验室研究人员目前正在努力将荧光剂光子电容器粒子与他们在2017年研究中使用的荧光素酶纳米粒子相结合,希望这两种技术相结合生成的植物,在更长时间内发出更亮的光。

给这项研究提供资助的是,泰国木兰花质量发展公司、Amar G.Bose教授研究基金、MIT高级本科生研究机会项目、新加坡科研与技术机构、三星奖学金和德国研究基金会研究奖学金。

资料与注释

1. Anne Trafton, The next generation of glowing plants, MIT News, September 17, 2021

2. Anne Trafton, Engineers create plants that glow, MIT News, December 12, 2017

3. PAVLO GORDIICHUK et al., Augmenting the living plant mesophyll into a photonic capacitor, SCIENCE ADVANCES, 8 Sep 2021




责任编辑: 李颖

标签: 植物发光 城市照明

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