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植物照明时代来袭 |
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充电10秒持续发光1小时，可反复充电 |
美国麻省理工学院的工程师利用嵌入植物叶子中的特殊纳米颗粒，创造出一种可由LED充电的新型发光植物。在这张图片中，绿色的部分是纳米颗粒，它们聚集在植物叶片内海绵状叶肉组织的表面。图片来源：麻省理工学院
麻省理工学院的工程师利用嵌入植物叶子中的特殊纳米颗粒，创造出了一种可以由LED充电的发光植物。充电10秒后，植物会发光几分钟，它们可以反复充电。相关研究近日发表于《科学进展》。这些植物产生的光比该研究小组2017年报告的第一代发光植物要亮10倍。
“我们想要创造一种发光植物，它的粒子会吸收光，储存一部分光，然后逐渐释放出来。”麻省理工学院化学工程教授、新研究资深作者Michael Strano说，“这是朝着植物照明迈出的一大步。”
“用活体植物的可再生化学能创造环境光，是一个大胆的想法。”论文作者之一、麻省理工学院建筑学教授Sheila Kennedy说，“这代表了人们对活体植物和照明用电看法的根本转变。”
这些粒子还可以促进任何其他类型的发光植物的发光，包括Strano实验室最初开发的植物光源。这些植物利用含有荧光素酶（在萤火虫中发现）的纳米颗粒产生光。“植物纳米仿生”是一个新兴领域，它可以混合和匹配插入到活体植物中的功能性纳米粒子，从而产生新的功能特性。
Strano的实验室多年来一直致力于植物纳米仿生这一新领域，该领域旨在通过将不同类型的纳米颗粒植入植物，赋予植物新的特征。他们的第一代发光植物含有携带荧光素酶和荧光素的纳米颗粒，其共同作用使萤火虫发光。利用这些粒子，研究人员培育出能发出昏暗光线的豆瓣菜植物，这些光线大约是数小时阅读所需光线的千分之一。
在新研究中，Strano和合作者想要创造出能够延长光线持续时间并使其更亮的组件。他们想到了使用电容的想法，电容是电路的一部分，可以储存电能，并在需要时释放出来。对于发光的植物来说，光电容器可以用来以光子的形式存储光，然后随着时间的推移逐渐释放光。
为了创造他们的“光电容器”，研究人员决定使用一种被称为荧光粉的材料。这些材料可以吸收可见光或紫外光，然后慢慢地以磷光的形式释放出来。研究人员使用了一种叫做铝酸锶的化合物作为他们的荧光粉，这种化合物可以形成纳米颗粒。在将它们植入植物之前，研究人员将微粒包裹在二氧化硅上，以保护植物免受损害。
这些直径达几百纳米的颗粒可以通过气孔（位于叶片表面的小气孔）进入植物体内。这些颗粒聚集在被称为叶肉的海绵状层中，在那里它们形成了一层薄膜。研究人员说，这项新研究的一个主要结论是，活体植物的叶肉可以在不伤害植物或牺牲光特性的情况下显示光子粒子。
可以吸收来自阳光或LED的光子。研究人员表示，在蓝色LED照射10秒钟后，他们的植物可以发出约1小时的光。在开始的5分钟里，光线最亮，然后逐渐减弱。正如该团队2019年在史密森尼设计学院的实验展览上展示的那样，这些植物可以持续充电至少两周。
“我们需要一种强烈的光，以脉冲的形式传递几秒钟，这样就可以给它充电。”麻省理工学院前博士后、论文主要作者Pavlo Gordiichuk说，“我们还证明可以使用大镜头，如菲涅耳镜头，将放大的光传输超过1米的距离。这朝着创造人们可以使用的规模照明迈出了良好一步。”
“史密森学会的植物属性展览展示了未来的愿景，活体植物照明基础设施是人们工作和生活空间的组成部分。”Kennedy说，“如果活体植物可以成为先进技术的起点，那么植物可能会取代目前不可持续的城市电网，为包括人类在内的所有依赖植物的物种带来共同利益。”
麻省理工学院的研究人员发现，“光电容器”方法可以在许多不同的植物物种中工作，包括罗勒、豆瓣菜和烟草。他们还证明，这种方法可以照亮一种名为泰国象耳的植物叶子，其叶宽可能超过一英尺，可作为户外照明源。
研究人员还调查了纳米颗粒是否会干扰正常的植物功能。他们发现，在10天的时间里，这些植物能够正常进行光合作用，并通过气孔蒸发水分。实验结束后，研究人员能够从植物中提取大约60%的荧光粉，并在另一种植物中重复使用。
Strano实验室的研究人员现在正致力于将荧光粉电容器粒子与他们在2017年的研究中使用的荧光素酶纳米颗粒结合起来，希望可以生产出能够在更长时间内发出更明亮的光的植物。
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.abe9733
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