Ingeniører skaber lys-emitterende planter, der kan oplades gentagne gange

Brug af specialiserede nanopartikler indlejret i planteblade, MIT-ingeniører har skabt et lysemitterende anlæg, der kan oplades af en LED. Efter 10 sekunders opladning, planter lyser klart i flere minutter, og de kan genoplades gentagne gange.

Disse planter kan producere lys, der er 10 gange stærkere end den første generation af glødende planter, som forskergruppen rapporterede i 2017.

"Vi ønskede at skabe en lysemitterende plante med partikler, der vil absorbere lys, gemme noget af det, og udsender det gradvist, " siger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik ved MIT og seniorforfatteren til det nye studie. "Dette er et stort skridt i retning af plantebaseret belysning."

"At skabe omgivende lys med den vedvarende kemiske energi fra levende planter er en fed idé, " siger Sheila Kennedy, en professor i arkitektur ved MIT og en forfatter til papiret, der har arbejdet med Stranos gruppe om plantebaseret belysning. "Det repræsenterer et grundlæggende skift i, hvordan vi tænker om levende planter og elektrisk energi til belysning."

Partiklerne kan også booste lysproduktionen af ​​enhver anden type lysemitterende plante, inklusive dem, Stranos laboratorium oprindeligt udviklede. Disse planter bruger nanopartikler, der indeholder enzymet luciferase, som findes i ildfluer, at producere lys. Evnen til at blande og matche funktionelle nanopartikler indsat i en levende plante for at producere nye funktionelle egenskaber er et eksempel på det nye felt af "plantenanobionik."

Pavlo Gordiichuk, en tidligere MIT postdoc, er hovedforfatter af det nye papir, som optræder i Videnskabens fremskridt .

Lys kondensator

Stranos laboratorium har arbejdet i flere år inden for det nye felt af plantenanobionik, som har til formål at give planter nye funktioner ved at indlejre dem med forskellige typer nanopartikler. Deres første generation af lysemitterende planter indeholdt nanopartikler, der bærer luciferase og luciferin, som arbejder sammen for at give ildfluer deres glød. Ved at bruge disse partikler, forskerne genererede brøndkarseplanter, der kunne udsende svagt lys, omkring en tusindedel af det beløb, der er nødvendigt for at læse, i et par timer.

I den nye undersøgelse, Strano og hans kolleger ønskede at skabe komponenter, der kunne forlænge lysets varighed og gøre det lysere. De kom op med ideen om at bruge en kondensator, som er en del af et elektrisk kredsløb, der kan lagre elektricitet og frigive det, når det er nødvendigt. I tilfælde af glødende planter, en lyskondensator kan bruges til at lagre lys i form af fotoner, slip det derefter gradvist over tid.

For at skabe deres "lyskondensator, " forskerne besluttede at bruge en type materiale kendt som en fosfor. Disse materialer kan absorbere enten synligt eller ultraviolet lys og derefter langsomt frigive det som en fosforescerende glød. Forskerne brugte en forbindelse kaldet strontiumaluminat, som kan formes til nanopartikler, som deres fosfor. Før du indlejrer dem i planter, forskerne coated partiklerne i silica, som beskytter planten mod skader.

Partiklerne, som er flere hundrede nanometer i diameter, kan infunderes i planterne gennem stomata - små porer placeret på overfladen af ​​blade. Partiklerne akkumuleres i et svampet lag kaldet mesofylet, hvor de danner en tynd film. En vigtig konklusion af det nye studie er, at mesofylet af en levende plante kan fås til at vise disse fotoniske partikler uden at skade planten eller ofre lysegenskaber, siger forskerne.

Denne film kan absorbere fotoner enten fra sollys eller en LED. Forskerne viste, at efter 10 sekunders eksponering af blå LED, deres planter kunne udsende lys i omkring en time. Lyset var stærkest i de første fem minutter og aftog derefter gradvist. Planterne kan løbende genoplades i mindst to uger, som holdet demonstrerede under en eksperimentel udstilling på Smithsonian Institute of Design i 2019.

"Vi skal have et intenst lys, afgivet som én puls i et par sekunder, og det kan oplade det, " siger Gordiichuk. "Vi viste også, at vi kan bruge store linser, såsom en Fresnel-linse, at overføre vores forstærkede lys en afstand mere end en meter. Dette er et godt skridt hen imod at skabe belysning i en skala, som folk kunne bruge."

"Plant Properties-udstillingen på Smithsonian demonstrerede en fremtidsvision, hvor belysningsinfrastruktur fra levende planter er en integreret del af de rum, hvor mennesker arbejder og bor, " siger Kennedy. "Hvis levende planter kunne være udgangspunktet for avanceret teknologi, planter kan erstatte vores nuværende ubæredygtige bybelysningsnet til gensidig fordel for alle planteafhængige arter - inklusive mennesker."

Storskala belysning

MIT-forskerne fandt ud af, at "light capacitor"-tilgangen kan fungere i mange forskellige plantearter, inklusive basilikum, brøndkarse, og tobak, fandt forskerne. De viste også, at de kunne belyse bladene på en plante kaldet Thailands elefantøre, som kan være mere end en fod bred - en størrelse, der kunne gøre planterne nyttige som udendørs belysningskilde.

Forskerne undersøgte også, om nanopartiklerne forstyrrer den normale plantefunktion. De fandt ud af, at over en 10-dages periode, planterne var i stand til at fotosyntese normalt og at fordampe vand gennem deres stomata. Da eksperimenterne var overstået, forskerne var i stand til at udvinde omkring 60 procent af fosforen fra planter og genbruge dem i en anden plante.

Forskere i Stranos laboratorium arbejder nu på at kombinere fosforlyskondensatorpartiklerne med luciferasenanopartiklerne, som de brugte i deres 2017-studie, i håb om, at en kombination af de to teknologier vil producere planter, der kan producere endnu stærkere lys, i længere perioder.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.