Thế hệ tiếp theo của cây phát quang ánh sáng nanobionic

Sử dụng các hạt nano lưu trữ và giải phóng ánh sáng dần dần, các kỹ sư tạo ra các cây phát sáng có thể được sạc nhiều lần.

Sử dụng các hạt nano chuyên dụng được nhúng vào lá cây, các kỹ sư của MIT đã tạo ra một loại cây phát sáng có thể sạc bằng đèn LED. Sau 10 giây sạc, cây phát sáng rực rỡ trong vài phút và chúng có thể được sạc lại nhiều lần.

Những loài thực vật này có thể tạo ra ánh sáng sáng gấp 10 lần so với thế hệ thực vật phát sáng đầu tiên mà nhóm nghiên cứu đã báo cáo vào năm 2017.

“Chúng tôi muốn tạo ra một nhà máy phát sáng với các hạt sẽ hấp thụ ánh sáng, lưu trữ một phần và phát ra ánh sáng dần dần,” Michael Strano, Giáo sư Kỹ thuật Hóa học Carbon P. Dubbs tại MIT và là tác giả cấp cao của công nghệ mới cho biết nghiên cứu. “Đây là một bước tiến lớn đối với chiếu sáng dựa trên thực vật.”

Sheila Kennedy, giáo sư kiến trúc tại MIT và là tác giả của bài báo đã làm việc với nhóm của Strano về ánh sáng từ thực vật cho biết: “Tạo ra ánh sáng xung quanh bằng năng lượng hóa học tái tạo của thực vật sống là một ý tưởng táo bạo. “Nó thể hiện một sự thay đổi cơ bản trong cách chúng ta nghĩ về thực vật sống và năng lượng điện để chiếu sáng.”

Các hạt này cũng có thể thúc đẩy sản xuất ánh sáng của bất kỳ loại nhà máy phát sáng nào khác, bao gồm cả những phòng thí nghiệm của Strano được phát triển ban đầu. Những cây này sử dụng các hạt nano có chứa enzyme luciferase, được tìm thấy trong đom đóm, để tạo ra ánh sáng. Khả năng trộn và kết hợp các hạt nano chức năng được đưa vào thực vật sống để tạo ra các đặc tính chức năng mới là một ví dụ về lĩnh vực mới nổi của “nanobionics thực vật”.

Pavlo Gordiichuk, một cựu postdoc của MIT, là tác giả chính của bài báo mới, xuất hiện trên Science Advances .

Tụ điện nhẹ

Phòng thí nghiệm của Strano đã làm việc trong nhiều năm trong lĩnh vực mới về vi khuẩn nano thực vật, nhằm mục đích cung cấp cho thực vật những tính năng mới bằng cách nhúng chúng với các loại hạt nano khác nhau. Thế hệ cây phát sáng đầu tiên của họ chứa các hạt nano mang luciferase và luciferin, chúng hoạt động cùng nhau để tạo ra ánh sáng cho đom đóm. Bằng cách sử dụng những hạt này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra cây cải xoong có thể phát ra ánh sáng mờ, khoảng một phần nghìn so với lượng cần thiết để đọc trong một vài giờ.

Trong nghiên cứu mới, Strano và các đồng nghiệp của ông muốn tạo ra các thành phần có thể kéo dài thời gian của ánh sáng và làm cho nó sáng hơn. Họ nảy ra ý tưởng sử dụng tụ điện, là một bộ phận của mạch điện có thể lưu trữ điện và giải phóng điện khi cần thiết. Trong trường hợp cây phát sáng, có thể dùng tụ điện để lưu trữ ánh sáng dưới dạng photon, sau đó giải phóng dần theo thời gian.

Để tạo ra “tụ điện ánh sáng”, các nhà nghiên cứu đã quyết định sử dụng một loại vật liệu được gọi là phốt pho. Những vật liệu này có thể hấp thụ ánh sáng nhìn thấy hoặc tia cực tím và sau đó từ từ giải phóng nó dưới dạng phát sáng lân tinh. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một hợp chất được gọi là stronti aluminat, có thể được hình thành thành các hạt nano, dưới dạng phosphor của chúng. Trước khi nhúng chúng vào cây, các nhà nghiên cứu đã phủ các hạt trong silica để bảo vệ cây khỏi bị hư hại.

Các hạt, có đường kính vài trăm nanomet, có thể được truyền vào cây thông qua khí khổng – các lỗ nhỏ nằm trên bề mặt của lá. Các hạt tích tụ trong một lớp xốp được gọi là trung bì, nơi chúng tạo thành một màng mỏng. Các nhà nghiên cứu cho biết, một kết luận chính của nghiên cứu mới là chất trung sinh của một thực vật sống có thể được tạo ra để hiển thị các hạt quang tử này mà không làm tổn thương cây hoặc làm mất các đặc tính chiếu sáng, các nhà nghiên cứu cho biết.

Phim này có thể hấp thụ các photon từ ánh sáng mặt trời hoặc đèn LED. Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng sau 10 giây tiếp xúc với đèn LED xanh, cây của họ có thể phát ra ánh sáng trong khoảng một giờ. Đèn sáng nhất trong năm phút đầu tiên rồi tắt dần. Các nhà máy có thể được sạc lại liên tục trong ít nhất hai tuần, như nhóm đã chứng minh trong một cuộc triển lãm thử nghiệm tại Viện Thiết kế Smithsonian vào năm 2019.

Gordiichuk nói: “Chúng ta cần có một ánh sáng cường độ cao, được phân phối dưới dạng một xung trong vài giây và có thể sạc được”. “Chúng tôi cũng cho thấy rằng chúng tôi có thể sử dụng các thấu kính lớn, chẳng hạn như thấu kính Fresnel, để truyền ánh sáng khuếch đại của chúng tôi đi một khoảng cách hơn một mét. Đây là một bước tiến tốt để tạo ra ánh sáng ở quy mô mà mọi người có thể sử dụng. “

Kennedy nói: “Triển lãm Thuộc tính Thực vật tại Smithsonian đã thể hiện một tầm nhìn tương lai, nơi cơ sở hạ tầng chiếu sáng từ thực vật sống là một phần không thể thiếu trong không gian nơi mọi người làm việc và sinh sống. “Nếu thực vật sống có thể là điểm khởi đầu của công nghệ tiên tiến, thực vật có thể thay thế lưới điện chiếu sáng đô thị không bền vững hiện tại của chúng ta vì lợi ích chung của tất cả các loài phụ thuộc vào thực vật – bao gồm cả con người.”

Chiếu sáng quy mô lớn

Các nhà nghiên cứu của MIT phát hiện ra rằng phương pháp tiếp cận “tụ điện ánh sáng” có thể hoạt động trên nhiều loài thực vật khác nhau, bao gồm húng quế, cải xoong và thuốc lá, các nhà nghiên cứu phát hiện ra. Họ cũng cho thấy rằng họ có thể chiếu sáng lá của một loại cây gọi là cây tai voi Thái Lan, có thể rộng hơn một foot – một kích thước có thể làm cho cây hữu ích như một nguồn chiếu sáng ngoài trời.

Các nhà nghiên cứu cũng tìm hiểu xem liệu các hạt nano có can thiệp vào chức năng bình thường của thực vật hay không. Họ phát hiện ra rằng trong khoảng thời gian 10 ngày, thực vật có thể quang hợp bình thường và thoát hơi nước qua khí khổng. Sau khi các thí nghiệm kết thúc, các nhà nghiên cứu có thể chiết xuất khoảng 60% phốt pho từ thực vật và tái sử dụng chúng ở một loài thực vật khác.

Các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Strano hiện đang nghiên cứu kết hợp các hạt tụ điện ánh sáng phosphor với các hạt nano luciferase mà họ đã sử dụng trong nghiên cứu năm 2017, với hy vọng rằng việc kết hợp hai công nghệ này sẽ tạo ra những cây có thể tạo ra ánh sáng thậm chí còn sáng hơn, trong thời gian dài hơn.

Tham khảo: “Bổ sung mesophyll thực vật sống thành tụ quang” của Pavlo Gordiichuk, Sarah Coleman, Ge Zhang, Matthias Kuehne, Tedrick TS Lew, Minkyung Park, Jianqiao Cui, Allan M. Brooks, Karaghen Hudson, Anne M. Graziano, Daniel JM Marshall, Zain Karsan, Sheila Kennedy và Michael S. Strano, ngày 8 tháng 9 năm 2021, Tiến bộ Khoa học .
DOI: 10.1126 / sciadv.abe9733

Nghiên cứu được tài trợ bởi Công ty Phát triển Chất lượng Magnolia Thái Lan, Tài trợ Nghiên cứu của Giáo sư Amar G. Bose, Chương trình Cơ hội Nghiên cứu Đại học Nâng cao của MIT, Cơ quan Khoa học, Nghiên cứu và Công nghệ Singapore, học bổng của Samsung và học bổng nghiên cứu của Quỹ Nghiên cứu Đức .

Theo Scitechdaily