试想这样的场景:在未来,我们的家中将会出现生物LED灯。不仅能大大节省地球资源,还能模拟一天任意时刻的太阳光照,调节我们的情绪。

这一天可能比你想象得要来得近。Rubén Costa博士是一位年轻的科学家,他认为人类正面临生物和纳米科技的革命,将会大大减小自然界和人造环境之间的差距。

这位西班牙研究员在最近接受世界经济论坛的采访中提到:“我们现在需要做的,就是在我们已经掌握的材料和技术之间建立联系。我坚信,这将引领新的技术革命。”

Rubén Costa和他的荧光聚合物。
Image: Rubén Costa提供

Costa是麻省理工学院麻省理工科技评论35周岁以下创新者的一员,他所进行的研究是关于在水溶液之外稳定水母体内能够发光的蛋白,并提取发光蛋白,用于制作生物LED灯。

“我至今仍然能够记得那一刻:我们摘下玻璃杯上的橡胶套,把杯子放到紫外线之下,它仍然能够发出绿色的光。”他在描述2015年的“生物灯泡”时提到了这段经历。当时,在细菌中培养的荧光蛋白“在几乎没有水的介质中存活了下来”,并且保持了原本的结构,使其能够继续发光。

他对这项发现感到十分激动,甚至需要因此去拜访医生。他花了太多时间观察团队的新发明。长期暴露在紫外线之下,他的眼睛感到十分干涩。他说:“当时,医生对我说,'别再做这个了'。”

不可能的挑战

水母发光是为了交流信息。
Image: 路透社/Dani Cardona

Costa的研究综合了数位诺贝尔奖获得者的研究成果,例如,日本有机化学家、海洋生物学家下村教授凭借发现了水母中的绿色荧光蛋白(GFP)赢得了2008年诺贝尔化学奖。

马丁·查尔菲教授是该奖项的共同得主。他成功地提取了蛋白质中控制发光的DNA,并针对线虫进行基因编辑,使其能够发光。目前,GFP被很多分子生物学家用来标记基因。

2014年,美国电子工程师中村修二教授和他的两位同事共同获得当年的诺贝尔物理学奖。他们发明了高亮度蓝色LED。Costa把这一发明称作是“人类历史上作用最大的技术”。

在某个会议上,Costa听到了有关荧光蛋白质的讨论,他被这种“美丽的材料”所深深吸引。他决定将荧光蛋白用作灯的光源。摆在他面前的,是一道几乎不可能攻破的难题:如何稳定荧光蛋白。

他承认道:“我从未想过我们可以利用生物复合物。我身边的所有人都告诉我,它们很不稳定。但其实它们相当稳定。”

稳定的LED灯

The Electrochemical Society Interface

只需在中村修二教授发明的蓝色发光芯片上覆盖一层复合物,过滤强蓝光,手机、电脑屏幕就能成为白色LED光源,照亮我们的家。过滤层主要由黄磷组成,还包括钇这样的稀土金属。对于过滤强蓝光来说,钇是一种绝佳的材料。

然而,尽管LED灯凭借高超的效能逐渐统治了全球的照明行业,生产成本也在不断降低,但到2019-2022年左右,钇的需求量也将到达顶峰

这正是问题所在。正如其名字所传达的那样,钇是一种“稀有”金属,只存在于特定国家,由特定国家开采。而开采、船运对环境的影响也相当大。

生物LED技术刚好能够填补这项空缺。Costa的团队首次发明制造出了有色生物过滤层的时候,他就想到了该成果的优势以及可能的应用——目前,这项技术被广泛的应用,使得LED灯得以继续发出耀眼的光芒。

“下一步,我们将重点关注可持续性。荧光蛋白最有价值的一点就是你可以在世界上任何地方借助大肠杆菌生产它们。这是一项非专利技术,生产成本相当低。”

技术研究仍在进行之中。Csota的团队已经将生物LED的使用寿命从100小时延长到了1700小时。他们的目标是照明5000-10000小时。他们坚信,他们能够取得成功。

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缓解季节性情绪失调

有色生物过滤层不仅可以大幅降低蓝光照射,在关灯之后,蛋白质还能够自我再生。

Costa表示:“生物材料有其特点:它们能够自我修复。因此,如果你关灯睡觉,蛋白质还可以自我恢复原本的结构。”

他解释道,生物材料的这种特性使得人们可以像频谱一样调节LED灯的亮度,模仿太阳光在一天的变化情况。

“试想:早上,一部分蛋白质会发出亮眼的黄绿光;之后,另一部分会发出明亮的橘黄色光……在你入睡时,发出黄绿色光的蛋白质就开始自我修复。”

Costa表示,这只是理想条件下的设想。他还表示,如果能对模仿太阳光的LED灯进行下一步研究,他“十分确信”这项技术能够用来帮助缓解季节性情绪失调——在英国,有1/3的人会在冬季面临这一难题。

太阳能窗户

我们的世界正面临高速的城市化进程,需要一系列可持续发展的应对措施。到2050年,68%的全球人口将居住在城市之中。对此,有色生物过滤层有其独特的应用前景。

Costa和他的团队正在着手研发太阳能窗户。这种窗户在两层玻璃之中还包含一层生物过滤板。

过滤板中的荧光蛋白质能够大幅降低日照紫外线中的高能级蓝光,并将其转化成更低能级的红、橙光,并储存在窗户角落的小型太阳能电池中。人们可以通过USB连接,利用太阳能给手机和其他设备充电。

美国的科学家认为,未来人们可以利用太阳能窗户做到“零能耗”——该技术的前景十分广阔。科学家预测,总面积50-70亿平方米的太阳能窗户能够满足40%的全国能源需求。

水母能够激发如此之多的技术创新,而大海之中还蕴藏着更多的宝藏。Costa还提到了蛋白质的反射功能:乌贼能够反射光源,从而用保护色来保护自己;水熊能够在极端温度和辐射中存活下来。

Costa表示:“在自然界中,我们可以学习、模仿的应用还有太多太多。我们需要的,是在自然和科技之间架起桥梁。”

作者:Kate Whiting,Formative Content,高级撰稿人

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翻译:彭永康

责编:万鸿嘉

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