科學家創造出可終生髮光的植物

原標題：充電10秒鐘，發光幾分鐘的植物

想象一下，如果植物本身的能量代謝就能爲其提供能量，從而使一株植物就可以充當檯燈，不需要插入電源就能照亮黑暗，我們生活的環境將會變成什麼樣子？

事實上，這一願景早在2017年就已經初步實現。當時，麻省理工學院的研究人員Michael Strano和他的團隊通過將特殊的納米顆粒植入豆瓣菜的葉子中，誘導豆瓣菜發出了近四個小時的微弱光芒。

用納米生物發光植物來照明一本書，圖中顯示的植物爲兩株3.5周大的豆瓣菜。| Seon-Yeong Kwak

這些豆瓣菜就是第一代的可用於照明的發光植物，它們含有攜帶着熒光素酶和熒光素的納米顆粒，正是這兩種物質的共同作用，使得螢火蟲能夠發光。只不過，對於2017年創造出的那些發光植物來說，它們放出的光芒非常微弱，大約是閱讀所需光芒的千分之一。

現在，在一項新研究中，同一研究團隊再次利用嵌入植物葉子中的特殊納米顆粒，創造出了一種可以由LED充電的發光植物。這次，這些植物可以在充電僅10秒之後就持續發光幾分鐘，而且可以被反覆充電，而且這些植物所產生的光，比2017年首次報告的第一代發光植物要亮10倍。

利用植物的可再生化學能來創造環境光是一個大膽的想法，這種想法是“植物納米仿生學”（plant nanobionics）的一個例子。植物納米仿生學是一個新興領域，它旨在將不同的具有功能性的納米粒子插入到植物中，以此賦予植物新的功能特性。創造出了第一代發光植物的Strano教授多年來一直致力於這一領域的研究。

在新的研究中，爲了創造出能夠放出持續時間更久且更明亮的發光植物，他們想到了使用電容的概念。我們知道，在電學中，電容是電路的一部分，它可以儲存電能，並在需要的時候再將電釋放出去。

對應於發光植物，研究人員想到的是“光電容器”，有了光電容器，他們就能夠以光子的形式存儲光，然後隨着時間的推移再讓其逐漸將光釋放出來。

爲了創造出光電容器，研究人員決定使用一類被稱爲磷光體的材料，這類材料可以吸收可見光或紫外光，然後慢慢地以磷光的形式釋放出來。最終，他們選用的是一種可以形成納米顆粒的名爲鋁酸鍶的化合物作爲磷光體。並且他們在將鋁酸鍶納米顆粒植入植物之前，先將顆粒包裹上二氧化硅，以此來保護植物免受化合物的傷害。

研究人員利用嵌入植物葉子中的特殊納米顆粒，創造出了一種可以由LED充電的新型發光植物。在這張圖片中，綠色的部分是納米顆粒，它們聚集在植物葉片的海綿狀葉肉組織的表面。| Gordiichuk et。 al。/ MIT

這些直徑約爲幾百納米的顆粒可以鑽入位於葉片表面的氣孔，然後順利進入到植物體內。它們會在被稱爲葉肉的海綿狀層中聚集，並在那裏形成一層薄膜，這種薄膜可以吸收來自陽光或LED的光子。

研究發現，當這些被植入了納米顆粒的植物在藍色的LED下照射10秒鐘後，就可以發出約一個小時的光，並且光線在最開始的五分鐘裏可以維持最亮水平，隨後再逐漸減弱，這些植物可以連續充電至少兩週。

他們發現，這種光電容器方法可以在許多不同的植物物種中運用，比如羅勒、豆瓣菜和菸草等。在實驗中，他們還展示了這種方法可以使一種被稱爲泰國象耳的植物葉子發出光芒，這是一種尺寸超過一英尺寬的植物，這種大小使它足以作爲戶外光源。

另外，研究人員還調查了這些植入的納米顆粒是否會干擾植物的正常功能。他們觀察到，在10天的時間內，這些植物能夠正常進行光合作用，並通過氣孔蒸發水分。在實驗結束後，研究人員能夠從植物中提取大約60%的磷光體，並在另一種植物中重複使用。

研究人員表示，活體植物的葉肉可以在不傷害植物或犧牲光特性的情況下顯示這些光子粒子，是他們通過新研究取得的一個重要成果。他們需要一種能夠以脈衝的形式傳遞數秒鐘的強光，這樣就可以給它充電。他們還證明了通過使用大的透鏡，比如菲涅耳透鏡，可以將已經被放大的光傳輸超過一米的距離。

可以說，這些植物屬性展示了對未來的一個美好願景，這朝着創造出可被人類使用的植物照明邁出的良好的一步。在未來，如果活體植物的照明可以成爲人們工作和生活空間的基礎設施的組成部分，那麼這些活體植物或將可以成爲先進技術的起點，使得植物取代目前不可持續的城市電網，爲包括人類在內的所有依賴植物的物種帶來共同利益。

研究人員現在正致力於將磷光體電容器顆粒與他們在2017年的研究中使用的熒光素酶納米顆粒結合起來，希望通過將這兩種技術結合，可以生產出能夠在更長時間內產生更明亮的光的植物。

參考文獻

[1]https：//news.mit.edu/2021/glowing-plants-nanoparticles-0917

[2]https：//news.mit.edu/2017/engineers-create-nanobionic-plants-that-glow-1213

[3]https：//www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abe9733

#創作團隊：

原文：Anne Trafton

編譯：小雨

#圖片來源：

封面來源：Gordiichuk et。 al。 / MIT

本文轉載自原理