來源：原理

　　想象一下，如果植物本身的能量代謝就能為其提供能量，從而使一株植物就可以充當(dāng)臺燈，不需要插入電源就能照亮黑暗，我們生活的環(huán)境將會變成什么樣子？

　　事實(shí)上，這一愿景早在2017年就已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)。當(dāng)時，麻省理工學(xué)院的研究人員Michael Strano和他的團(tuán)隊(duì)通過將特殊的納米顆粒植入豆瓣菜的葉子中，誘導(dǎo)豆瓣菜發(fā)出了近四個小時的微弱光芒。

用納米生物發(fā)光植物來照明一本書，圖中顯示的植物為兩株3.5周大的豆瓣菜。| 圖片來源：Seon-Yeong Kwak

　　這些豆瓣菜就是第一代的可用于照明的發(fā)光植物，它們含有攜帶著熒光素酶和熒光素的納米顆粒，正是這兩種物質(zhì)的共同作用，使得螢火蟲能夠發(fā)光。只不過，對于2017年創(chuàng)造出的那些發(fā)光植物來說，它們放出的光芒非常微弱，大約是閱讀所需光芒的千分之一。

　　現(xiàn)在，在一項(xiàng)新研究中，同一研究團(tuán)隊(duì)再次利用嵌入植物葉子中的特殊納米顆粒，創(chuàng)造出了一種可以由LED充電的發(fā)光植物。這次，這些植物可以在充電僅10秒之后就持續(xù)發(fā)光幾分鐘，而且可以被反復(fù)充電，而且這些植物所產(chǎn)生的光，比2017年首次報(bào)告的第一代發(fā)光植物要亮10倍。

　　利用植物的可再生化學(xué)能來創(chuàng)造環(huán)境光是一個大膽的想法，這種想法是“植物納米仿生學(xué)”（plant nanobionics）的一個例子。植物納米仿生學(xué)是一個新興領(lǐng)域，它旨在將不同的具有功能性的納米粒子插入到植物中，以此賦予植物新的功能特性。創(chuàng)造出了第一代發(fā)光植物的Strano教授多年來一直致力于這一領(lǐng)域的研究。

　　在新的研究中，為了創(chuàng)造出能夠放出持續(xù)時間更久且更明亮的發(fā)光植物，他們想到了使用電容的概念。我們知道，在電學(xué)中，電容是電路的一部分，它可以儲存電能，并在需要的時候再將電釋放出去。

　　對應(yīng)于發(fā)光植物，研究人員想到的是“光電容器”，有了光電容器，他們就能夠以光子的形式存儲光，然后隨著時間的推移再讓其逐漸將光釋放出來。

　　為了創(chuàng)造出光電容器，研究人員決定使用一類被稱為磷光體的材料，這類材料可以吸收可見光或紫外光，然后慢慢地以磷光的形式釋放出來。最終，他們選用的是一種可以形成納米顆粒的名為鋁酸鍶的化合物作為磷光體。并且他們在將鋁酸鍶納米顆粒植入植物之前，先將顆粒包裹上二氧化硅，以此來保護(hù)植物免受化合物的傷害。

　　研究人員利用嵌入植物葉子中的特殊納米顆粒，創(chuàng)造出了一種可以由LED充電的新型發(fā)光植物。在這張圖片中，綠色的部分是納米顆粒，它們聚集在植物葉片的海綿狀葉肉組織的表面。| 圖片來源：Gordiichuk et。 al。/ MIT

　　這些直徑約為幾百納米的顆粒可以鉆入位于葉片表面的氣孔，然后順利進(jìn)入到植物體內(nèi)。它們會在被稱為葉肉的海綿狀層中聚集，并在那里形成一層薄膜，這種薄膜可以吸收來自陽光或LED的光子。

　　研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這些被植入了納米顆粒的植物在藍(lán)色的LED下照射10秒鐘后，就可以發(fā)出約一個小時的光，并且光線在最開始的五分鐘里可以維持最亮水平，隨后再逐漸減弱，這些植物可以連續(xù)充電至少兩周。

　　他們發(fā)現(xiàn)，這種光電容器方法可以在許多不同的植物物種中運(yùn)用，比如羅勒、豆瓣菜和煙草等。在實(shí)驗(yàn)中，他們還展示了這種方法可以使一種被稱為泰國象耳的植物葉子發(fā)出光芒，這是一種尺寸超過一英尺寬的植物，這種大小使它足以作為戶外光源。

　　另外，研究人員還調(diào)查了這些植入的納米顆粒是否會干擾植物的正常功能。他們觀察到，在10天的時間內(nèi)，這些植物能夠正常進(jìn)行光合作用，并通過氣孔蒸發(fā)水分。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，研究人員能夠從植物中提取大約60%的磷光體，并在另一種植物中重復(fù)使用。

　　研究人員表示，活體植物的葉肉可以在不傷害植物或犧牲光特性的情況下顯示這些光子粒子，是他們通過新研究取得的一個重要成果。他們需要一種能夠以脈沖的形式傳遞數(shù)秒鐘的強(qiáng)光，這樣就可以給它充電。他們還證明了通過使用大的透鏡，比如菲涅耳透鏡，可以將已經(jīng)被放大的光傳輸超過一米的距離。

　　可以說，這些植物屬性展示了對未來的一個美好愿景，這朝著創(chuàng)造出可被人類使用的植物照明邁出的良好的一步。在未來，如果活體植物的照明可以成為人們工作和生活空間的基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分，那么這些活體植物或?qū)⒖梢猿蔀橄冗M(jìn)技術(shù)的起點(diǎn)，使得植物取代目前不可持續(xù)的城市電網(wǎng)，為包括人類在內(nèi)的所有依賴植物的物種帶來共同利益。

　　研究人員現(xiàn)在正致力于將磷光體電容器顆粒與他們在2017年的研究中使用的熒光素酶納米顆粒結(jié)合起來，希望通過將這兩種技術(shù)結(jié)合，可以生產(chǎn)出能夠在更長時間內(nèi)產(chǎn)生更明亮的光的植物。

　　#創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：

　　原文：Anne Trafton

　　編譯：小雨

　　#參考來源：

　　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

　　#圖片來源：