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LED照明“過時”了,科學家有了更大膽的想法

2019-05-24    

中國照明網報道

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導語: 想象一下,天黑的時候,你可以通過書桌上的發光植物來進行閱讀,而不是打開一盞燈,這是什么樣的體驗?麻省理工學院(MIT)工程師在實現這一愿景的過程中邁出了關鍵的第一步。工程師將特殊納米粒子植入到水田芥的葉子中,誘導水田芥發出微光近四個小時。他們相信,通過進一步優化,這種發光植物有一天將足夠照亮一個工作空間。

  想象一下,天黑的時候,你可以通過書桌上的發光植物來進行閱讀,而不是打開一盞燈,這是什么樣的體驗?

  麻省理工學院(MIT)工程師在實現這一愿景的過程中邁出了關鍵的第一步。工程師將特殊納米粒子植入到水田芥的葉子中,誘導水田芥發出微光近四個小時。他們相信,通過進一步優化,這種發光植物有一天將足夠照亮一個工作空間。

  MIT化學工程教授、這項研究的資深作者邁克爾·斯特拉諾(Michael Strano)表示,他們的設想是制造一棵能夠當做臺燈使用的植物—不需要接通電源,光源最終來自于作物本身的能量代謝。

  研究員稱,這項技術還可以用來提供低強度室內照明,或將樹木轉變為自供電路燈。

  斯特拉諾表示,照明約占全球能源消耗的20%,而植物能夠自我修復,擁有自己的能量,而且已經適應了外部環境。他們認為,時機已經成熟。

  斯特拉諾實驗室開創的一個新的研究領域叫植物納米仿生學(Plant nanobionics),旨在通過將不同類型的納米粒子植入植物以賦予植物新的特征。該團隊的目標是改造植物來取代由電氣裝置提供的許多功能。此前,研究員設計了能夠監測出爆炸品并將信息傳達給智能手機的植物,還設計了能夠監測干旱狀況的植物。

  據悉,熒光素酶(luciferase)是一種使螢火蟲發光的酶。為了制造發光植物,MIT團隊轉向使用這種酶。熒光素酶作用于一種叫熒光素(luciferin)的分子,能夠使熒光素發光。另一種叫做輔酶A(co-enzyme A)的分子則可以通過去除可抑制熒光素酶活性的反應副產物來幫助實現發光的過程。

  研究團隊將這三種成分分別包裝在不同類型的納米粒子載體中。這些納米粒子全部由美國食品和藥物管理局(the U.S. Food and Drug Administration)歸類為“通常被認為是安全的”的材料制成,可幫助每個成分到達植物的正確部位。納米粒子還可以防止這些成分達到可能對植物產生毒素的濃度。

  研究員使用直徑約10納米的二氧化硅(silica nanoparticles)納米粒子來攜帶熒光素酶,再分別使用稍大一點的聚合物PLGA(polymers PLGA)和殼聚糖粒子(chitosan)來攜帶熒光素和輔酶A。為了讓這些粒子進入植物葉片,研究員首先將這些粒子懸浮于溶液中,然后把植物浸泡在溶液里,再將其暴露在高壓下,使這些粒子通過微小孔隙(氣孔,stomata)進入葉子。

  釋放熒光素和輔酶A的粒子積聚在葉肉的細胞外空間(即葉子的內層),而攜帶熒光素酶的小粒子則進入構成葉肉的細胞中。PLGA粒子逐漸釋放出熒光素后,熒光素進入植物細胞,而熒光素酶在細胞里進行化學反應,使熒光素發光。

  最初,研究團隊制造的植物發光約45分鐘,經改進,發光時間增加到3.5小時。雖然一棵10厘米的水田芥幼苗產生的光是目前閱讀所需光照含量的千分之一,但研究員相信,通過進一步優化各成分的濃度和釋放速率,可以增加發光量,并延長發光時間。

  此前,制造發光植物依賴于基因工程植物,但這是一個麻煩的過程,且發出的光非常微弱。并且,這些研究都是在煙草和擬南芥(Arabidopsis thaliana)上進行的,它們常用于植物遺傳研究。然而,MIT研究團隊開發的方法可以用于任何類型的植物。目前,除了水田芥,他們已經用芝麻菜、甘藍和菠菜證明了這一點。

  未來,MIT希望研發出一種方法,將納米粒子涂或噴在植物葉子上,以此來把樹木和其他大型植物轉化為光源。

  斯特拉諾表示,他們打算在當植物是幼苗或成熟植株時就進行一次技術處理,并使其在植物的整個生命周期持續發揮作用。

  該研究團隊還展示了通過添加攜帶熒光素抑制劑的納米粒子來關閉光源,這幫助他們創造能夠根據環境條件(如太陽光)的變化而關閉光源的植物。

  據悉,該研究獲得美國能源部(the U.S. Department of Energy)的資金支持。

編輯:嚴志祥

來源:MIT

標簽:發光植物  MIT  工程師  

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