Med hjälp av specialiserade nanopartiklar inbäddade i växtblad, MIT-ingenjörer har skapat en ljusemitterande anläggning som kan laddas med en lysdiod. Efter 10 sekunders laddning, växter lyser starkt i flera minuter, och de kan laddas om flera gånger.

Dessa växter kan producera ljus som är 10 gånger starkare än den första generationen glödande växter som forskargruppen rapporterade 2017.

"Vi ville skapa en ljusemitterande växt med partiklar som absorberar ljus, lagra en del av det, och avger det gradvis, " säger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik vid MIT och seniorförfattaren till den nya studien. "Detta är ett stort steg mot växtbaserad belysning."

"Att skapa omgivande ljus med den förnybara kemiska energin från levande växter är en djärv idé, säger Sheila Kennedy, en professor i arkitektur vid MIT och en författare till uppsatsen som har arbetat med Stranos grupp om växtbaserad belysning. "Det representerar en grundläggande förändring i hur vi tänker om levande växter och elektrisk energi för belysning."

Partiklarna kan också öka ljusproduktionen hos alla andra typer av ljusavgivande växter, inklusive de som Stranos lab ursprungligen utvecklade. Dessa växter använder nanopartiklar som innehåller enzymet luciferas, som finns i eldflugor, att producera ljus. Möjligheten att blanda och matcha funktionella nanopartiklar som sätts in i en levande växt för att producera nya funktionella egenskaper är ett exempel på det framväxande området "växtnanobionics."

Pavlo Gordiichuk, en före detta MIT postdoc, är huvudförfattare till den nya tidningen, som dyker upp i Vetenskapens framsteg .

Ljuskondensator

Stranos labb har arbetat i flera år inom det nya området växtnanobionik, som syftar till att ge växter nya egenskaper genom att bädda in dem med olika typer av nanopartiklar. Deras första generation av ljusemitterande växter innehöll nanopartiklar som bär luciferas och luciferin, som arbetar tillsammans för att ge eldflugor sin lyster. Genom att använda dessa partiklar, forskarna skapade vattenkrasseväxter som kunde avge svagt ljus, ungefär en tusendel av mängden som behövs för att läsa av, i några timmar.

I den nya studien, Strano och hans kollegor ville skapa komponenter som kunde förlänga ljusets varaktighet och göra det ljusare. De kom på idén att använda en kondensator, som är en del av en elektrisk krets som kan lagra elektricitet och släppa ut den vid behov. När det gäller glödande växter, en ljuskondensator kan användas för att lagra ljus i form av fotoner, släpp den sedan gradvis med tiden.

För att skapa sin "ljuskondensator, " forskarna bestämde sig för att använda en typ av material som kallas en fosfor. Dessa material kan absorbera antingen synligt eller ultraviolett ljus och sedan långsamt släppa det som en fosforescerande glöd. Forskarna använde en förening som heter strontiumaluminat, som kan formas till nanopartiklar, som deras fosfor. Innan du bäddar in dem i växter, forskarna belade partiklarna i kiseldioxid, som skyddar växten från skador.

Partiklarna, som är flera hundra nanometer i diameter, kan infunderas i växterna genom stomata - små porer som finns på bladens yta. Partiklarna samlas i ett svampigt lager som kallas mesofyll, där de bildar en tunn film. En viktig slutsats av den nya studien är att mesofyllet hos en levande växt kan fås att visa dessa fotoniska partiklar utan att skada växten eller offra belysningsegenskaper, säger forskarna.

Denna film kan absorbera fotoner antingen från solljus eller en LED. Forskarna visade att efter 10 sekunders exponering av blå LED, deras växter kunde avge ljus i ungefär en timme. Ljuset var starkast under de första fem minuterna och avtog sedan gradvis. Plantorna kan laddas kontinuerligt i minst två veckor, som teamet visade under en experimentell utställning på Smithsonian Institute of Design 2019.

"Vi måste ha ett intensivt ljus, levereras som en puls i några sekunder, och som kan ladda den, " säger Gordiichuk. "Vi visade också att vi kan använda stora linser, som en Fresnel-lins, att överföra vårt förstärkta ljus en sträcka mer än en meter. Det här är ett bra steg mot att skapa belysning i en skala som människor kan använda."

"Plant Properties-utställningen på Smithsonian visade en framtidsvision där belysningsinfrastruktur från levande växter är en integrerad del av de utrymmen där människor arbetar och bor, " säger Kennedy. "Om levande växter kunde vara utgångspunkten för avancerad teknik, växter kan ersätta vårt nuvarande ohållbara elektriska belysningsnät i städerna till ömsesidig nytta för alla växtberoende arter – inklusive människor."

Storskalig belysning

MIT-forskarna fann att "ljuskondensator"-metoden kan fungera i många olika växtarter, inklusive basilika, vattenkrasse, och tobak, fann forskarna. De visade också att de kunde lysa upp bladen på en växt som kallas Thailands elefantöra, som kan vara mer än en fot bred - en storlek som kan göra växterna användbara som utomhusbelysningskälla.

Forskarna undersökte också om nanopartiklarna stör normal växtfunktion. De fann att under en 10-dagarsperiod, växterna kunde fotosyntetisera normalt och avdunsta vatten genom stomata. När experimenten väl var över, forskarna kunde utvinna cirka 60 procent av fosforn från växter och återanvända dem i en annan anläggning.

Forskare i Stranos labb arbetar nu med att kombinera fosforljuskondensatorpartiklarna med luciferasnanopartiklarna som de använde i sin studie från 2017, i hopp om att en kombination av de två teknologierna kommer att producera växter som kan producera ännu starkare ljus, under längre perioder.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.