Met behulp van gespecialiseerde nanodeeltjes ingebed in plantenbladeren, MIT-ingenieurs hebben een lichtgevende plant gemaakt die kan worden opgeladen door een LED. Na 10 seconden opladen, planten gloeien enkele minuten fel, en ze kunnen herhaaldelijk worden opgeladen.

Deze planten kunnen licht produceren dat 10 keer helderder is dan de eerste generatie gloeiende planten die de onderzoeksgroep in 2017 rapporteerde.

"We wilden een lichtgevende plant maken met deeltjes die licht absorberen, bewaar er wat van, en zend het geleidelijk uit, " zegt Michael Strano, de Carbon P. Dubbs Professor of Chemical Engineering aan het MIT en de senior auteur van de nieuwe studie. "Dit is een grote stap in de richting van plantaardige verlichting."

"Het creëren van omgevingslicht met de hernieuwbare chemische energie van levende planten is een gewaagd idee, " zegt Sheila Kennedy, een professor in architectuur aan het MIT en een auteur van het artikel die met Strano's groep heeft gewerkt aan op planten gebaseerde verlichting. "Het vertegenwoordigt een fundamentele verschuiving in hoe we denken over levende planten en elektrische energie voor verlichting."

De deeltjes kunnen ook de lichtproductie van elk ander type lichtgevende plant stimuleren, inclusief die van Strano's lab dat oorspronkelijk is ontwikkeld. Die planten gebruiken nanodeeltjes die het enzym luciferase bevatten, die wordt gevonden in vuurvliegjes, licht te produceren. Het vermogen om functionele nanodeeltjes die in een levende plant zijn ingebracht te mixen en matchen om nieuwe functionele eigenschappen te produceren, is een voorbeeld van het opkomende gebied van 'plant nanobionics'.

Pavlo Gordiichuk, een voormalig MIT-postdoc, is de hoofdauteur van het nieuwe artikel, die verschijnt in wetenschappelijke vooruitgang .

Lichtcondensator:

Strano's lab werkt al enkele jaren op het nieuwe gebied van planten nanobionics, die tot doel heeft planten nieuwe eigenschappen te geven door ze in te bedden met verschillende soorten nanodeeltjes. Hun eerste generatie lichtemitterende planten bevatte nanodeeltjes die luciferase en luciferine bevatten, die samenwerken om vuurvliegjes hun glans te geven. Met behulp van deze deeltjes, de onderzoekers genereerden waterkersplanten die zwak licht konden uitstralen, ongeveer een duizendste van het bedrag dat nodig is om te lezen, voor een paar uur.

In de nieuwe studie Strano en zijn collega's wilden componenten maken die de duur van het licht konden verlengen en helderder konden maken. Ze kwamen op het idee om een ​​condensator te gebruiken, dat deel uitmaakt van een elektrisch circuit dat elektriciteit kan opslaan en indien nodig kan vrijgeven. In het geval van gloeiende planten, een lichtcondensator kan worden gebruikt om licht op te slaan in de vorm van fotonen, laat het dan geleidelijk los in de loop van de tijd.

Om hun "lichtcondensator" te maken, "De onderzoekers besloten een soort materiaal te gebruiken dat bekend staat als fosfor. Deze materialen kunnen zichtbaar of ultraviolet licht absorberen en het dan langzaam afgeven als een fosforescerende gloed. De onderzoekers gebruikten een verbinding genaamd strontiumaluminaat, die kunnen worden gevormd tot nanodeeltjes, als hun fosfor. Voordat u ze in planten insluit, de onderzoekers bedekten de deeltjes met silica, die de plant beschermt tegen beschadiging.

de deeltjes, die enkele honderden nanometers in diameter zijn, kan via de huidmondjes in de planten worden gebracht - kleine poriën op het oppervlak van bladeren. De deeltjes hopen zich op in een sponsachtige laag die de mesofyl wordt genoemd, waar ze een dunne film vormen. Een belangrijke conclusie van de nieuwe studie is dat het mesofyl van een levende plant kan worden gemaakt om deze fotonische deeltjes weer te geven zonder de plant te beschadigen of verlichtingseigenschappen op te offeren, zeggen de onderzoekers.

Deze film kan fotonen absorberen, hetzij van zonlicht of een LED. De onderzoekers toonden aan dat na 10 seconden blauwe LED-belichting, hun planten konden ongeveer een uur licht uitstralen. Het licht was de eerste vijf minuten het helderst en nam daarna geleidelijk af. De planten kunnen minimaal twee weken continu worden opgeladen, zoals het team demonstreerde tijdens een experimentele tentoonstelling in het Smithsonian Institute of Design in 2019.

"We hebben een intens licht nodig, toegediend als één puls gedurende enkele seconden, en dat kan het opladen, " zegt Gordiichuk. "We hebben ook laten zien dat we grote lenzen kunnen gebruiken, zoals een Fresnel-lens, om ons versterkt licht over een afstand van meer dan een meter over te brengen. Dit is een goede stap in de richting van het creëren van verlichting op een schaal die mensen zouden kunnen gebruiken."

"De tentoonstelling Plant Properties in het Smithsonian demonstreerde een toekomstvisie waarbij de verlichtingsinfrastructuur van levende planten een integraal onderdeel is van de ruimtes waar mensen werken en leven, Kennedy zegt. "Als levende planten het startpunt zouden kunnen zijn van geavanceerde technologie, planten kunnen ons huidige niet-duurzame stedelijke elektriciteitsnet vervangen voor het wederzijdse voordeel van alle plantafhankelijke soorten, inclusief mensen."

Grootschalige verlichting

De MIT-onderzoekers ontdekten dat de "lichtcondensator" -benadering in veel verschillende plantensoorten kan werken, inclusief basilicum, waterkers, en tabak, vonden de onderzoekers. Ze lieten ook zien dat ze de bladeren van een plant, het Thaise olifantenoor, konden verlichten. die meer dan een voet breed kan zijn - een formaat dat de planten nuttig zou kunnen maken als buitenverlichtingsbron.

De onderzoekers onderzochten ook of de nanodeeltjes de normale plantfunctie verstoren. Ze ontdekten dat over een periode van 10 dagen, de planten konden normaal fotosynthetiseren en water verdampen via hun huidmondjes. Toen de experimenten waren afgelopen, de onderzoekers waren in staat om ongeveer 60 procent van de fosforen uit planten te extraheren en opnieuw te gebruiken in een andere plant.

Onderzoekers in Strano's lab werken nu aan het combineren van de fosforlichtcondensatordeeltjes met de luciferase-nanodeeltjes die ze in hun onderzoek uit 2017 gebruikten. in de hoop dat het combineren van de twee technologieën planten zal produceren die nog helderder licht kunnen produceren, voor langere tijd.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.