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發光植物:有望創新未來照明技術!


智物創新導讀美國麻省理工學院的科學家將特殊的納米顆粒嵌入到豆瓣菜植物中,使這種植物可以持續約小時發出微弱的光線。通過進一步優化,他們相信這種植物未來將足以照亮整個辦公區域。背景在缺乏光線的黑暗環境中,我們往往開一盞燈才能進行閱讀。然而,有點出乎意料的是,未來我...

- 2018年5月06日07時24分
- 【智物創新 導讀 美國麻省理工學院的科學家將特殊的納米顆粒嵌入到豆瓣菜植物中,使這種植物可以持續約4小】

智物創新

導讀

美國麻省理工學院的科學家將特殊的納米顆粒嵌入到豆瓣菜植物中,使這種植物可以持續約4小時發出微弱的光線。通過進一步優化,他們相信這種植物未來將足以照亮整個辦公區域。

背景

在缺乏光線的黑暗環境中,我們往往開一盞燈才能進行閱讀。然而,有點出乎意料的是,未來我們有望藉助桌子上的發光植物,取代現有的檯燈,實現照明。

為了讓這一切變為實現,我們無法繞開一個新興科研領域:植物納米仿生學。這門學科通過在植物中嵌入不同種納米顆粒,賦予植物新的功能。植物納米仿生學製造出的植物,甚至可以擁有電氣設備的功能。

例如,筆者之前介紹過美國麻省理工學院化學工程系教授 Michael Strano的實驗室設計出的特殊植物。研究人員在植物葉子裡面嵌入碳納米管,使之具備電子系統功能,並作為傳感器監測環境中化學物質。

這種植物可檢測出地雷和爆炸物經常使用的硝基芳香化合物。該植物會吸收地下水中的硝基芳香化合物,其葉子中的碳納米管則會發出螢光信號,而智慧型手機的紅外攝像頭可以讀取這種信號,然後再發送信息給用戶。

除此之外,這種植物傳感器也可用於旱情監測,以及幫助植物學家更好研究植物內部機制、監測植物健康、增加例如癌症藥物用到的長春花植物中的合成化學成分的產量。

(圖片Christine Daniloff/MIT)

創新

今天介紹的創新成果,也是來自Strano的實驗室,研究人員將特殊的納米顆粒嵌入到豆瓣菜植物中,使植物可以持續約4小時發出微弱的光線。通過進一步優化,研究人員相信這種植物未來將足以照亮整個辦公區域。

這項研究的論文發表於《Nano Letters》雜誌,麻省理工學院的博士後 Seon-Yeong Kwak 是這篇論文的領導作者。

論文的高級作者之一 Michael Strano 表示,他們的願景就是讓植物可以像檯燈一樣工作,這樣一盞燈無需插入電源插座,而是通過植物自身的能量代謝提供電力。

(圖片來源:Seon-Yeong Kwak)

技術

照明,消耗了全球20%的能量。這一領域似乎順理成章地成為植物納米仿生學的下一個應用目標。Strano 表示,植物可以自我修復,也可以自身產生能量,而且已經可以適應戶外環境。

為了打造發光植物,MIT

團隊藉助了螢光素酶(luciferase),這種酶使得螢火蟲閃閃發光。螢光素酶作用於一種稱為螢光素(luciferin)的分子,讓它發光。另外一種分子稱為輔酶(coenzyme)A,它對於去除抑制螢光素酶反應副產品的工藝有幫助。

研究團隊將這三種成分分別放進不同的納米顆粒載體中。納米顆粒全部由美國食品與藥物管理局歸類為「通常認為是安全的」的材料製成。這些納米顆粒幫助每種成分到達植物的適當部分,也能防止成分達到可能對植物有毒的濃度。

研究人員使用直徑為10納米的二氧化矽納米顆粒攜帶螢光素酶,另外分別地使用更大的PLGA聚合物顆粒和幾丁聚糖(chitosan

)攜帶螢光素和輔酶A。為了讓顆粒能夠進入植物葉子,首先研究人員將顆粒懸浮於溶液中,再讓植物浸入溶液中,然後接受高壓處理,使得顆粒通過小孔也稱為「氣孔」進入葉子中。

(圖片來源:MIT)

釋放螢光素和輔酶A的顆粒聚集於葉肉細胞外間隙,即葉子的內層。而更小的顆粒攜帶螢光素酶進入組成葉肉的細胞。PLGA

顆粒逐漸釋放出螢光素,然後螢光素進入植物細胞,在那裡螢光素酶會進行化學反應,讓螢光素髮光。

在項目開始的時候,研究人員的早期工作致力於生產出可發光45分鐘的植物,現在他們將這一時間提升至3.5小時。一株10厘米的豆瓣菜幼苗產生的光線,目前只達到閱讀所需的光線量的千分之一。但是,研究人員相信通過進一步優化成分的濃度和釋放率,他們可以增強發光效果及持久度。

(圖片來源:Seon-Yeong Kwak)

之前,創建發光植物的工作主要依靠於基因工程植物來表達螢光素酶基因,但是這是一個費力的過程,而且製造出的光線極其微弱。這些研究主要對象是菸草植物和擬南芥,通常用於植物基因研究。然而,Strano

的實驗室開發出的方法可用於任何植物。目前,除了豆瓣菜,他們還通過芝麻菜、羽衣甘藍、菠菜展示了這項技術。

此外研究人員還展示了,他們通過添加攜帶螢光素酶抑制劑的納米顆粒,將燈關閉。這使得他們最終培育出的植物可根據環境條件,例如陽光,停止發光。

價值

據研究成員稱,這項技術也用於低強度的室內照明,或者將樹變成自供電的街燈。

Strano 表示,他們的目標是當植物處於幼苗或者成熟時進行特殊處理,並在植物的生命周期持續起作用。通過認真仔細研究,未來他們將開闢一條途徑,讓樹經過處理後直接用於家居照明。

未來

未來,研究人員希望在這一技術的基礎上,開發出一種將納米顆粒油漆或噴塗到植物葉子上的方法,這樣可以將樹和其他大型植物轉變為光源。

關鍵字

植物、照明、電子

參考資料

1http://news.mit.edu/2017/engineers-create-nanobionic-plants-that-glow-1213

需要進一步探討和交流的朋友,請聯繫作者微信:JohnZh1984


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