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LED照明“过时”了,科学家有了更大胆的想法

作者:admin    来源:摩登2平台-摩登2注册    发布时间:2019-06-25 15:56    浏览量:

  想象一下,天黑的时候,你可以通过书桌上的发光植物来进行阅读,而不是打开一盏灯,这是什么样的体验?

  麻省理工学院(MIT)工程师在实现这一愿景的过程中迈出了关键的第一步。工程师将特殊纳米粒子植入到水田芥的叶子中,诱导水田芥发出微光近四个小时。他们相信,通过进一步优化,这种发光植物有一天将足够照亮一个工作空间。

  MIT化学工程教授、这项研究的资深作者迈克尔·斯特拉诺(Michael Strano)表示,他们的设想是制造一棵能够当做台灯使用的植物—不需要接通电源,光源最终来自于作物本身的能量代谢。

  研究员称,这项技术还可以用来提供低强度室内照明,或将树木转变为自供电路灯。

  斯特拉诺表示,照明约占全球能源消耗的20%,而植物能够自我修复,拥有自己的能量,而且已经适应了外部环境。他们认为,时机已经成熟。

  斯特拉诺实验室开创的一个新的研究领域叫植物纳米仿生学(Plant nanobionics),旨在通过将不同类型的纳米粒子植入植物以赋予植物新的特征。该团队的目标是改造植物来取代由电气装置提供的许多功能。此前,研究员设计了能够监测出爆炸品并将信息传达给智能手机的植物,还设计了能够监测干旱状况的植物。

  据悉,荧光素酶(luciferase)是一种使萤火虫发光的酶。为了制造发光植物,MIT团队转向使用这种酶。荧光素酶作用于一种叫荧光素(luciferin)的分子,能够使荧光素发光。另一种叫做辅酶A(co-enzyme A)的分子则可以通过去除可抑制荧光素酶活性的反应副产物来帮助实现发光的过程。

  研究团队将这三种成分分别包装在不同类型的纳米粒子载体中。这些纳米粒子全部由美国食品和药物管理局(the U.S. Food and Drug Administration)归类为“通常被认为是安全的”的材料制成,可帮助每个成分到达植物的正确部位。纳米粒子还可以防止这些成分达到可能对植物产生毒素的浓度。

  研究员使用直径约10纳米的二氧化硅(silica nanoparticles)纳米粒子来携带荧光素酶,再分别使用稍大一点的聚合物PLGA(polymers PLGA)和壳聚糖粒子(chitosan)来携带荧光素和辅酶A。为了让这些粒子进入植物叶片,研究员首先将这些粒子悬浮于溶液中,然后把植物浸泡在溶液里,再将其暴露在高压下,使这些粒子通过微小孔隙(气孔,stomata)进入叶子。

  释放荧光素和辅酶A的粒子积聚在叶肉的细胞外空间(即叶子的内层),而携带荧光素酶的小粒子则进入构成叶肉的细胞中。PLGA粒子逐渐释放出荧光素后,荧光素进入植物细胞,而荧光素酶在细胞里进行化学反应,使荧光素发光。

  最初,研究团队制造的植物发光约45分钟,经改进,发光时间增加到3.5小时。虽然一棵10厘米的水田芥幼苗产生的光是目前阅读所需光照含量的千分之一,但研究员相信,通过进一步优化各成分的浓度和释放速率,可以增加发光量,并延长发光时间。

  此前,制造发光植物依赖于基因工程植物,但这是一个麻烦的过程,且发出的光非常微弱。并且,这些研究都是在烟草和拟南芥(Arabidopsis thaliana)上进行的,它们常用于植物遗传研究。然而,MIT研究团队开发的方法可以用于任何类型的植物。目前,除了水田芥,他们已经用芝麻菜、甘蓝和菠菜证明了这一点。

  未来,MIT希望研发出一种方法,将纳米粒子涂或喷在植物叶子上,以此来把树木和其他大型植物转化为光源。

  斯特拉诺表示,他们打算在当植物是幼苗或成熟植株时就进行一次技术处理,并使其在植物的整个生命周期持续发挥作用。

  该研究团队还展示了通过添加携带荧光素抑制剂的纳米粒子来关闭光源,这帮助他们创造能够根据环境条件(如太阳光)的变化而关闭光源的植物。

  据悉,该研究获得美国能源部(the U.S. Department of Energy)的资金支持。

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