本文转载自微信公众号“原理”
原文：Anne Trafton
编译：小雨
想象一下，如果植物本身的能量代谢就能为其提供能量，从而使一株植物就可以充当台灯，不需要插入电源就能照亮黑暗，我们生活的环境将会变成什么样子？
事实上，这一愿景早在 2017 年就已经初步实现。当时，麻省理工学院的研究人员Michael Strano和他的团队通过将特殊的纳米颗粒植入豆瓣菜的叶子中，诱导豆瓣菜发出了近四个小时的微弱光芒。
用纳米生物发光植物来照明一本书，图中显示的植物为两株 3.5 周大的豆瓣菜。| 图片来源：Seon-Yeong Kwak
这些豆瓣菜就是第一代的可用于照明的发光植物，它们含有携带着荧光素酶和荧光素的纳米颗粒，正是这两种物质的共同作用，使得萤火虫能够发光。只不过，对于 2017 年创造出的那些发光植物来说，它们放出的光芒非常微弱，大约是阅读所需光芒的千分之一。
现在，在一项新研究中，同一研究团队再次利用嵌入植物叶子中的特殊纳米颗粒，创造出了一种可以由 LED 充电的发光植物。这次，这些植物可以在充电仅 10 秒之后就持续发光几分钟，而且可以被反复充电，而且这些植物所产生的光，比 2017 年首次报告的第一代发光植物要亮 10 倍。
利用植物的可再生化学能来创造环境光是一个大胆的想法，这种想法是“植物纳米仿生学”（plant nanobionics）的一个例子。植物纳米仿生学是一个新兴领域，它旨在将不同的具有功能性的纳米粒子插入到植物中，以此赋予植物新的功能特性。创造出了第一代发光植物的 Strano 教授多年来一直致力于这一领域的研究。
在新的研究中，为了创造出能够放出持续时间更久且更明亮的发光植物，他们想到了使用电容的概念。我们知道，在电学中，电容是电路的一部分，它可以储存电能，并在需要的时候再将电释放出去。
对应于发光植物，研究人员想到的是“光电容器”，有了光电容器，他们就能够以光子的形式存储光，然后随着时间的推移再让其逐渐将光释放出来。
为了创造出光电容器，研究人员决定使用一类被称为磷光体的材料，这类材料可以吸收可见光或紫外光，然后慢慢地以磷光的形式释放出来。最终，他们选用的是一种可以形成纳米颗粒的名为铝酸锶的化合物作为磷光体。并且他们在将铝酸锶纳米颗粒植入植物之前，先将颗粒包裹上二氧化硅，以此来保护植物免受化合物的伤害。
研究人员利用嵌入植物叶子中的特殊纳米颗粒，创造出了一种可以由 LED 充电的新型发光植物。在这张图片中，绿色的部分是纳米颗粒，它们聚集在植物叶片的海绵状叶肉组织的表面。| 图片来源：Gordiichuk et. al./ MIT
这些直径约为几百纳米的颗粒可以钻入位于叶片表面的气孔，然后顺利进入到植物体内。它们会在被称为叶肉的海绵状层中聚集，并在那里形成一层薄膜，这种薄膜可以吸收来自阳光或 LED 的光子。
研究发现，当这些被植入了纳米颗粒的植物在蓝色的 LED 下照射 10 秒钟后，就可以发出约一个小时的光，并且光线在最开始的五分钟里可以维持最亮水平，随后再逐渐减弱，这些植物可以连续充电至少两周。
他们发现，这种光电容器方法可以在许多不同的植物物种中运用，比如罗勒、豆瓣菜和烟草等。在实验中，他们还展示了这种方法可以使一种被称为泰国象耳的植物叶子发出光芒，这是一种尺寸超过一英尺宽的植物，这种大小使它足以作为户外光源。
另外，研究人员还调查了这些植入的纳米颗粒是否会干扰植物的正常功能。他们观察到，在 10 天的时间内，这些植物能够正常进行光合作用，并通过气孔蒸发水分。在实验结束后，研究人员能够从植物中提取大约 60% 的磷光体，并在另一种植物中重复使用。
研究人员表示，活体植物的叶肉可以在不伤害植物或牺牲光特性的情况下显示这些光子粒子，是他们通过新研究取得的一个重要成果。他们需要一种能够以脉冲的形式传递数秒钟的强光，这样就可以给它充电。他们还证明了通过使用大的透镜，比如菲涅耳透镜，可以将已经被放大的光传输超过一米的距离。
可以说，这些植物属性展示了对未来的一个美好愿景，这朝着创造出可被人类使用的植物照明迈出的良好的一步。在未来，如果活体植物的照明可以成为人们工作和生活空间的基础设施的组成部分，那么这些活体植物或将可以成为先进技术的起点，使得植物取代目前不可持续的城市电网，为包括人类在内的所有依赖植物的物种带来共同利益。
研究人员现在正致力于将磷光体电容器颗粒与他们在 2017 年的研究中使用的荧光素酶纳米颗粒结合起来，希望通过将这两种技术结合，可以生产出能够在更长时间内产生更明亮的光的植物。
参考来源：
https://news.mit.edu/2021/glowing-plants-nanoparticles-0917
https://news.mit.edu/2017/engineers-create-nanobionic-plants-that-glow-1213
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abe9733
封面图片来源：Gordiichuk et. al. / MIT
论文信息
【标题】Augmenting the living plant mesophyll into a photonic capacitor
【作者】Pavlo Gordiichuk, Sarah Coleman, Ge Zhang, Matthias Kuehne, Tedrick T. S. Lew, Minkyung Park, Jianqiao Cui, Allan M. Brooks, Karaghen Hudson, Anne M. Graziano, Daniel J. M. Marshall, Zain Karsan, Sheila Kennedy, and Michael S. Strano
【期刊】Science Advances
【日期】8 Sep 2021
【DOI】10.1126/sciadv.abe9733
【链接】
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abe9733
【摘要】Living plants provide an opportunity to rethink the design and fabrication of devices ordinarily produced from plastic and circuit boards and ultimately disposed of as waste. The spongy mesophyll is a high -surface area composition of parenchyma cells that supports gas and liquid exchange through stomata pores within the surface of most leaves. Here, we investigate the mesophyll of living plants as biocompatible substrates for the photonic display of thin nanophosphorescent films for photonic applications. Size-sorted, silica-coated 650 ± 290 -nm strontium aluminate nanoparticles are infused into five diverse plant species with conformal display of 2-μm films on the mesophyll enabling photoemission of up to 4.8 × 1013photons/second. Chlorophyll measurements over 9 days and functional testing over 2 weeks at 2016 excitation/emission cycles confirm biocompatibility. This work establishes methods to transform living plants into photonic substrates for applications in plant-based reflectance devices, signaling, and the augmentation of plant-based lighting.
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