Используя специальные наночастицы, внедренные в листья, инженеры Массачусетского технологического института (MIT) создали светоизлучающее растение, которое может заряжаться от светодиода. После 10 секунд зарядки растения могут ярко светиться в течение нескольких минут, и их можно повторно заряжать. Эти растения могут производить свет в 10 раз ярче, чем первое поколение светящихся растений, о которых исследовательская группа сообщала в 2017 году.

«Мы хотели создать светоизлучающее растение с частицами, которые будут поглощать свет, накапливать его часть и постепенно испускать», — говорит Майкл Страно (Michael Strano), профессор химических технологий Carbon P. Dubbs в Массачусетском технологическом институте (MIT) и старший автор новой технологии, — «Это большой шаг в области освещения с помощью растений».
«Создание рассеянного света с использованием возобновляемой химической энергии живых растений — смелая идея», — говорит Шейла Кеннеди (Sheila Kennedy), профессор архитектуры Массачусетского технологического института, работавшая с группой Страно над проектом светящихся растений, — «Это большой шаг в понимании живых растений и электроэнергии для освещения».

Частицы также могут повысить светоотдачу любого другого типа светоизлучающей растения, в том числе тех, которые изначально были разработаны лабораторией Страно. Эти растения используют наночастицы, содержащие фермент люциферазу, который есть у светлячков. Способность смешивать и подбирать функциональные наночастицы, внедренные в живое растение, для получения новых функциональных свойств — пример развивающейся области «нанобионики растений».
Павел Гордичук, бывший постдок Массачусетского технологического института, является ведущим автором новой статьи, которая опубликована в Science Advances.

Конденсатор света

Лаборатория Страно уже несколько лет работает в новой области нанобионики растений, цель которой — придать растениям новые свойства, встраивая в них различные типы наночастиц. Первое поколение светоизлучающих растений содержало наночастицы, несущие люциферазу и люциферин, благодаря которым светятся светлячки. Используя эти частицы, исследователи создали кресс-салат, который в течение нескольких часов мог излучать тусклый свет, примерно одну тысячную от количества, необходимого для чтения.
В новом исследовании Страно и его коллеги хотели создать компоненты с увеличенной продолжительностью свечения и более яркие. У них родилась идея использовать конденсатор, являющийся частью электрической цепи, которая может накапливать электричество и высвобождать его при необходимости. В случае светящихся растений можно использовать световой конденсатор для хранения света в форме фотонов, а затем постепенно высвобождать его с течением времени.
Чтобы создать этот «конденсатор света», исследователи решили использовать материал, известный как люминофор. Люминофоры могут поглощать видимый или ультрафиолетовый свет, а затем медленно отдавать его в виде фосфоресцентного свечения. В качестве люминофора исследователи использовали соединение под названием алюминат стронция, которое может быть преобразовано в наночастицы. Перед тем, как поместить их в растения, исследователи покрыли частицы двуокисью кремния, который защищает растение от повреждений.

Частицы диаметром несколько сотен нанометров могут проникать в растения через устьица — небольшие поры, расположенные на поверхности листьев. Частицы накапливаются в губчатом слое, называемом мезофиллом, где они образуют тонкую пленку. По словам исследователей, главный вывод нового исследования заключается в том, что мезофилл живого растения может отображать эти фотонные частицы, без повреждения растения и без ущерба световым свойствам.
Эта пленка может поглощать фотоны солнечного света или светодиода. Исследователи показали, что после 10 секундного воздействия синего светодиода растения могут излучать свет примерно в течение часа. Свет был наиболее ярким в течение первых пяти минут, а затем постепенно становился тусклее. Растения можно непрерывно заряжать в течение как минимум двух недель, что команда исследователей продемонстрировала во время экспериментальной выставки в Смитсоновском институте дизайна (the Smithsonian Institute of Design) в 2019 году.

«Нам нужен интенсивный свет, подаваемый в виде одного импульса в течение нескольких секунд, с возможностью зарядки», — говорит Гордичук. «Мы также показали, что можем использовать большие линзы, такие как линза Френеля, для передачи света на расстояние более одного метра. Это хороший шаг к созданию освещения в масштабе, подходящим для потребностей людей».
«Выставка «Свойства растений» в Смитсоновском институте продемонстрировала видение будущего, где светящиеся живые растений являются неотъемлемой частью пространств, в которых люди работают и живут», — говорит Кеннеди. «Если бы растения могли стать отправной точкой передовых технологий, то они могли бы заменить нашу нынешнюю неустойчивую сеть городского электрического освещения на взаимовыгодных условиях для всех видов, зависящих от растений, включая людей».

Масштабное освещение

Исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили, что подход «светового конденсатора» может работать с многими различными видами растений, включая базилик, кресс-салат и табак. Они также показали, что светиться могут листья растения, называемого таиландским слоновьим ухом. Оно может достигать более фута в ширину, что заведомо делает растение полезным в качестве источника освещения улиц.
Исследователи также узнали, мешают ли наночастицы нормальному функционированию растений и обнаружили, что в течение 10 дней растения смогли нормально фотосинтезировать и испарять воду через устьица. По окончании экспериментов было извлечено около 60% люминофора из растений для повторного использования в других растениях.

В лаборатории Страно сейчас работают над объединением частиц люминофорного конденсатора света с наночастицами люциферазы, которые они использовали в своем исследовании 2017 года, в надежде, что объединение двух технологий приведет к созданию растений, которые могут производить еще более яркий свет в течение длительных периодов времени.
Исследование финансировалось Thailand Magnolia Quality Development Corp., исследовательским грантом профессора Амара Дж. Боса (Amar G. Bose), Программой передовых исследовательских возможностей MIT, Сингапурским агентством науки, исследований и технологий, грантом Samsung и Немецким исследовательским фондом.

Источник информации: https://www.lightnowblog.com/2021/10/mit-engineers-use-nanoparticles-to-create-rechargeable-light-emitting-plants/

Материал в SCIENCE ADVANCES: https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.abe9733