麻省理工学院的工程师利用纳米颗粒培育出了可反复充电的发光植物。
研究人员使用了一种“光电容器”，它能以光子的形式储存光，然后随时间推移逐步释放。
麻省理工学院的工程师将特殊纳米颗粒嵌入植物叶片中，培育出一种可由LED充电的发光植物。充电10秒后，植物可明亮发光数分钟，并且能够反复充电。
这些植物发出的光比研究团队在2017年报告的第一代发光植物亮10倍。
“我们希望创造一种发光植物，利用颗粒吸收光，储存部分光，并逐步释放，”麻省理工学院化学工程系Carbon P. Dubbs教授、本项新研究的资深作者迈克尔·斯特拉诺（Michael Strano）说，“这是迈向植物照明的重要一步。”
“利用活体植物的可再生化学能来创造环境光，是一个大胆的构想，”麻省理工学院建筑学教授、论文作者之一希拉·肯尼迪（Sheila Kennedy）说，她曾与斯特拉诺的团队合作开展植物照明研究，“这代表着我们对活体植物与照明用电能之间关系的认知发生了根本性转变。”
这些颗粒还可以提升任何其他类型发光植物的光输出，包括斯特拉诺实验室最初开发的那些植物。这些植物使用含有萤火虫所含酶荧光素酶的纳米颗粒来发光。将功能性纳米颗粒混合搭配并植入活体植物，从而赋予其新的功能特性，这一能力是新兴领域“植物纳米生物学”的一个典型例子。
前麻省理工学院博士后研究员帕夫洛·戈尔迪丘克（Pavlo Gordiichuk）是新论文的第一作者，该论文发表于《科学进展》（Science Advances）。
光电容器
斯特拉诺实验室多年来一直致力于植物纳米生物学这一新兴领域的研究，其目标是通过嵌入不同类型的纳米颗粒，赋予植物新的特性。他们最初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，二者协同作用，使萤火虫发光。研究人员利用这些颗粒培育出了豆瓣菜，它们能发出微弱的光，亮度约为阅读所需光量的千分之一，可持续数小时。
在这项新研究中，斯特拉诺及其同事希望开发出能够延长发光时间并提高亮度的组件。他们提出了使用电容器的构想。电容器是电路的一部分，能够储存电能并在需要时释放。就发光植物而言，光电容器可以以光子的形式储存光，然后随时间推移逐步释放。
为了制造其“光电容器”，研究人员决定使用一类被称为磷光体的材料。这类材料既能吸收可见光，也能吸收紫外线，随后以磷光的形式缓慢释放。研究人员采用了一种名为铝酸锶的化合物作为磷光体，这种化合物可以制成纳米颗粒。在将颗粒嵌入植物之前，研究人员先用二氧化硅对颗粒进行包覆，以保护植物免受损害。
这些颗粒直径为数百纳米，可通过气孔（位于叶片表面的小孔）注入植物体内。颗粒会聚集在一层称为叶肉的海绵状组织中，并在其中形成一层薄膜。研究人员表示，这项新研究的一个重要结论是：活体植物的叶肉可以被改造为呈现这些光子颗粒，同时既不伤害植物，也不牺牲其发光性能。
这层薄膜既能吸收来自阳光的光子，也能吸收来自LED的光子。研究人员发现，在蓝色LED照射10秒后，植物可发光约一小时。光线在最初五分钟最为明亮，之后逐渐减弱。植物可持续充电，至少两周内都能保持充电能力，团队在2019年史密森设计学院的一次实验性展览中对此进行了演示。
“我们需要一种强光，以几秒钟的单次脉冲形式照射，才能为其充电，”戈尔迪丘克说，“我们还证明了可以使用大型透镜（例如菲涅耳透镜），将放大后的光传输超过一米的距离。这是朝着创造可供人们使用的大规模照明迈出的良好一步。”
“史密森学会的‘植物特性’展览展示了一种未来愿景：活体植物提供的照明基础设施，将成为人们工作和生活空间中不可或缺的一部分，”肯尼迪说，“如果活体植物能够成为先进技术的起点，它们或许能够取代我们当前不可持续的城市电力照明网络，从而为所有依赖植物生存的物种（包括人类）带来共同利益。”
大规模照明
研究人员发现，“光电容器”方法可适用于多种不同的植物品种，包括罗勒、豆瓣菜和烟草。他们还证明，能够照亮一种名为泰国象耳的植物的叶片，该植物叶片宽度可超过一英尺，这一规模使其有望成为户外照明光源。
研究人员还调查了纳米颗粒是否会干扰植物的正常功能。他们发现，在10天的时间里，植物能够正常进行光合作用，并通过气孔蒸腾水分。实验结束后，研究人员能够从植物中提取约60%的磷光体，并将其重新用于另一株植物。
斯特拉诺实验室的研究人员目前正致力于将磷光体光电容器颗粒与其2017年研究中使用的荧光素酶纳米颗粒相结合，希望两项技术的结合能培育出发光更亮、持续时间更长的植物。
该研究由泰国Magnolia Quality Development Corp.、Amar G. Bose教授研究基金、麻省理工学院本科生高级研究机会计划、新加坡科学、技术与研究局、三星奖学金以及德国研究基金会研究奖学金资助。
