美國(guó)《MIT News》刊載MIT新聞辦公室安妮·特拉福頓(Anne Trafton)的文章[1]，介紹MIT化學(xué)工程碳吸收教授邁克爾·斯特拉諾(Michael Strano)等人發(fā)表在《SCIENCE ADVANCES》雜志上研究成果說，“工程師們利用儲(chǔ)存和逐漸釋放光的納米粒子，創(chuàng)造出了可反復(fù)充電的發(fā)光植物......

麻省理工學(xué)院的工程師們利用嵌入植物葉片中的特殊納米粒子，創(chuàng)造了一種可通過LED充電的新型發(fā)光植物。在這張圖像中，綠色部分是聚集在植物葉片內(nèi)海綿狀葉肉組織表面的納米顆粒。

美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的工程師們利用嵌入植物葉片中的特殊納米粒子，創(chuàng)造了一種可以通過LED充電的發(fā)光植物。充電10秒后，植物會(huì)明亮地發(fā)光幾分鐘，并可反復(fù)充電。

這些植物發(fā)的光，是這個(gè)研究小組2017年報(bào)告的第一代發(fā)光植物[2]的10倍。

MIT化學(xué)工程碳吸收教授、這個(gè)新研究報(bào)告的資深作者邁克爾·斯特拉諾(Michael Strano)說，“我們想創(chuàng)造一種含有粒子的植物，能吸收、儲(chǔ)存某些光并逐漸的發(fā)光。”“這是邁向植物照明的一大步。”

麻省理工學(xué)院的建筑學(xué)教授希拉·肯尼迪(Sheila Kennedy)說，“用活體植物的可再生化學(xué)能創(chuàng)造環(huán)境光源，是個(gè)大膽想法。”“它代表我們對(duì)‘活體植物和照明用電’看法上的根本性轉(zhuǎn)變。” 肯尼迪曾與斯特拉諾植物照明小組一起工作，是這個(gè)論文的作者之一。

這些粒子還可“促進(jìn)”任何其他類型發(fā)光植物發(fā)光，包括斯特拉諾實(shí)驗(yàn)室最初開發(fā)的那些植物。它們利用含熒光素酶的納米粒子發(fā)光，這種酶是在螢火蟲中發(fā)現(xiàn)的。這種功能性納米粒子混合與匹配，有能力插入活體植物，產(chǎn)生新的功能特性，是新興的“植物納米仿生學(xué)”領(lǐng)域的一個(gè)例子。

這篇論文發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上[3]，原MIT博士后帕夫洛·戈迪奇克(Pavlo Gordiichuk)，是這篇新論文的主要作者。

充電10秒后，植物可以明亮地發(fā)光幾分鐘，并可反復(fù)充電。

光子“電容器”

斯特拉諾的實(shí)驗(yàn)室，幾年來一直從事植物納米仿生學(xué)新領(lǐng)域的研究，旨在給植物嵌入不同類型的納米粒子，賦予植物新的特性。它們的第一代發(fā)光植物含納米粒子，攜帶的熒光素酶和熒光素共同讓螢火蟲發(fā)光。利用這些粒子，研究人員生成的豆瓣菜植物，可發(fā)出昏暗的光，能延續(xù)幾個(gè)小時(shí)，大約是“可辨識(shí)”亮度的千分之一。

在這項(xiàng)新的研究中，斯特拉諾和他的同事想創(chuàng)造各種“成分”，延長(zhǎng)光的持續(xù)時(shí)間，并使之更明亮。他們想出了使用電容器的想法(構(gòu)成電路的一部分，可以存儲(chǔ)電力，需要時(shí)再釋放電力)。對(duì)于發(fā)光植物，光子電容器，可以儲(chǔ)存光子，然后逐漸釋放。

為了制造他們的“光子電容器”，研究人員決定使用的材料是“熒光粉”。這種材料可以吸收可見光或紫外線，然后以“磷光”的形式慢慢釋放出來。研究人員使用鋁酸鍶化合物，可以形成納米粒子，作為“熒光粉”。研究人員將這些粒子涂上二氧化硅，然后嵌入植物中，以保護(hù)植物免受損害。

這些粒子直徑有幾百納米，可以通過位于葉片表面的氣孔(小孔)注入植物體內(nèi)。這些粒子聚集在“葉肉”的海綿層內(nèi)，形成一層薄膜。研究人員說，這項(xiàng)新研究的主要結(jié)論是，活體植物的葉肉，可以顯示這些光激粒子，又不損害植物或犧牲燈光的屬性。

這種薄膜可以從陽光或LED吸收光子。研究人員曾演展示，暴露在藍(lán)色LED下10秒后，這些植物能發(fā)光約一小時(shí)。前五分鐘光線最亮，然后逐漸減弱。這個(gè)團(tuán)隊(duì)2019年在史密森研究所的一次實(shí)驗(yàn)展覽上證實(shí)，這些植物至少可連續(xù)充電兩周。

戈迪奇克說，“我們需要有個(gè)強(qiáng)光，每幾秒發(fā)送一個(gè)脈沖，那就可以給它充電了。”“我們還證實(shí)，可以使用大透鏡，比如菲涅耳透鏡，把放大的光傳輸距離超過一米。這就在創(chuàng)建人們可用照明方面前進(jìn)了一步。”

肯尼迪說，“史密森學(xué)會(huì)的植物屬性展覽證實(shí)了未來的愿景：活體植物照明構(gòu)成的基礎(chǔ)設(shè)施是人們工作和生活空間不可分割的組成部分。”“如果活體植物可以成為先進(jìn)技術(shù)的起點(diǎn)，植物或許能取代目前不可持續(xù)的城市照明電網(wǎng)，以造福所有依賴植物的物種——包括人類。”

研究人員展示，他們可以照射一種植物稱為泰國(guó)象耳的的葉子(超過一英尺寬)用作戶外“光源”。

大規(guī)模照明

MIT的研究人員發(fā)現(xiàn)，“光子電容器”方法可用于許多不同的植物物種，包括羅勒屬植物、豆瓣菜和煙草。他們還證實(shí)，它們能解釋“泰國(guó)象耳”植物的葉子，寬達(dá)一英尺以上，能用這種植物作為“露天光源”。

研究人員還調(diào)研了這些納米粒子是否會(huì)干擾植物的正常功能。他們發(fā)現(xiàn)，10天之內(nèi)，植物能正常光合作用，并通過氣孔蒸發(fā)水分。一旦實(shí)驗(yàn)結(jié)束，研究人員能從植物中提取大約60%的熒光粉，并重復(fù)用于另一種植物。

斯特拉諾的實(shí)驗(yàn)室研究人員目前正在努力將熒光劑光子電容器粒子與他們?cè)?017年研究中使用的熒光素酶納米粒子相結(jié)合，希望這兩種技術(shù)相結(jié)合生成的植物，在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)發(fā)出更亮的光。

給這項(xiàng)研究提供資助的是，泰國(guó)木蘭花質(zhì)量發(fā)展公司、Amar G.Bose教授研究基金、MIT高級(jí)本科生研究機(jī)會(huì)項(xiàng)目、新加坡科研與技術(shù)機(jī)構(gòu)、三星獎(jiǎng)學(xué)金和德國(guó)研究基金會(huì)研究獎(jiǎng)學(xué)金。

資料與注釋

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