مهندسان MIT با استفاده از نانوذرات تخصصی تعبیه شده در برگ گیاه، یک گیاه ساطع کننده نور ایجاد کرده اند که می تواند توسط یک LED شارژ شود. پس از ۱۰ ثانیه شارژ، گیاهان به مدت چند دقیقه می درخشند و می توان آنها را بارها و بارها شارژ کرد. این گیاهان می توانند نوری درخشان تر از نسل اول گیاهان ساطع کننده نور تولید کنند که این گروه تحقیقاتی در سال ۲۰۱۷ گزارش کرده اند. مایکل استرانو ، استاد مهندسی شیمی MIT و نویسنده ارشد این مقاله می گوید: “ما می خواستیم یک گیاه ساطع کننده نور با ذراتی ایجاد کنیم که نور را جذب کند، مقداری از آن را ذخیره کرده و به تدریج منتشر کند. این یک گام بزرگ به سوی روشنایی مبتنی بر گیاه است. شیلا کندی، استاد معماری در MIT و نویسنده مقاله که با گروه استرانو در زمینه نورپردازی گیاهی کار کرده است، می گوید: “ایجاد نور محیط با انرژی شیمیایی تجدید پذیر گیاهان زنده ایده جسورانه ای است.” “این نشان دهنده تغییر اساسی در نحوه تفکر ما در مورد گیاهان زنده و انرژی الکتریکی برای روشنایی است.”
این ذرات همچنین می توانند تولید نور هر نوع گیاه ساطع کننده دیگری را افزایش دهند ، از جمله گیاهانی که در آزمایشگاه استرانو در ابتدا توسعه یافته بودند. این گیاهان از نانوذرات حاوی آنزیم لوسیفراز ،که در کرم های شب تاب وجود دارد، برای تولید نور استفاده می کنند. توانایی ترکیب و تطبیق نانوذرات عملکردی وارد شده در یک گیاه زنده برای تولید ویژگیهای عملکردی جدید، نمونه ای از زمینه نوظهور “نانو بیونیک گیاهی” است.
خازن نور
آزمایشگاه استرانو چندین سال است که در زمینه جدید نانو بیونیک گیاهی کار می کند ، هدف این است که با جاسازی انواع مختلف نانوذرات به گیاهان ویژگی های جدیدی بدهد. نسل اول گیاهان ساطع کننده نور آنها حاوی نانوذرات حامل لوسیفراز و لوسیفرین بود که با هم کار می کنند تا به کرم شب تاب درخشندگی خود را بدهند. با استفاده از این ذرات ، محققان گیاهان شاهی تولید کردند که می توانستند نوری کم، حدود یک هزارم مقدار مورد نیاز برای خواندن را برای چند ساعت منتشر کنند.
در مطالعه جدید ، استرانو و همکارانش می خواستند اجزایی ایجاد کنند که بتوانند مدت زمان تابش نور را افزایش داده و آن را درخشانتر کنند. آنها ایده استفاده از خازن را ارائه کردند که بخشی از یک مدار الکتریکی است که می تواند برق را ذخیره کرده و در صورت نیاز آزاد کند. در مورد گیاهان ساطع کننده نور، می توان از یک خازن نور برای ذخیره نور به شکل فوتون استفاده کرد، سپس آن را به تدریج در طول زمان آزاد کرد.
برای ایجاد “خازن نوری” خودی، محققان تصمیم گرفتند از نوعی ماده معروف به فسفر استفاده کنند. این مواد می توانند نور مرئی یا فرابنفش را جذب کرده و سپس به تدریج آن را به صورت فسفرسانس آزاد کنند. محققان از ترکیبی به نام استرانسیوم آلومینات که می تواند به نانوذرات تبدیل شود، به عنوان فسفر استفاده کردند. محققان قبل از قرار دادن آنها در گیاهان، ذرات را با سیلیکا پوشاندند که گیاه را از آسیب محافظت می کند.
این ذرات که چند صد نانومتر قطر دارند، می توانند از طریق روزنه ها – منافذ کوچکی که در سطح برگها قرار دارند – به گیاهان تزریق شوند. ذرات در یک لایه اسفنجی به نام مزوفیل تجمع می یابند و یک فیلم نازک را تشکیل می دهند. محققان می گویند یک نتیجه گیری عمده از مطالعه جدید این است که مزوفیل یک گیاه زنده می تواند ساخته شود تا این ذرات فوتونی بدون آسیب رساندن به گیاه و یا از بین رفتن ویژگی های نورپردازی نشان داه شوند..
این فیلم می تواند فوتون ها را از طریق نور خورشید یا یک LED جذب کند. محققان نشان دادند که پس از ۱۰ ثانیه قرار گرفتن در معرض LED آبی، گیاهان می توانند حدود یک ساعت نور منتشر کنند. نور در پنج دقیقه اول درخشان تر است و سپس به تدریج کاهش می یابد. همانطور که این تیم در یک نمایشگاه تجربی در موسسه طراحی اسمیتسونین در سال ۲۰۱۹ نشان داد گیاهان را می توان به مدت دو هفته به طور مداوم شارژ کرد.
گوردیچوک می گوید: “ما باید یک نور شدید داشته باشیم که به صورت یک پالس برای چند ثانیه تحویل داده شود و بتوان آن را شارژ کرد.” “ما همچنین نشان دادیم که می توانیم از لنزهای بزرگ مانند لنز فرزنل برای انتقال نور تقویت شده خود در فاصله بیش از یک متر استفاده کنیم. این گام خوبی برای ایجاد نور در مقیاسی است که مردم می توانند از آن استفاده کنند.”
کندی می گوید: “نمایشگاه خواص گیاهی در اسمیتسونین چشم انداز آینده را نشان داد که در آن زیرساخت های روشنایی از گیاهان زنده بخشی جدایی ناپذیر از فضاهایی است که افراد در آن کار و زندگی می کنند.” “اگر گیاهان زنده می توانند نقطه شروع فناوری پیشرفته باشند، ممکن است جایگزین شبکه روشنایی برق شهری ناپایدار فعلی ما برای منافع متقابل همه گونه های وابسته به گیاه-از جمله مردم” شوند.
تابش در مقیاس بزرگ
محققان MIT دریافتند که رویکرد “خازن نور” می تواند در بسیاری از گونه های گیاهی مختلف از جمله ریحان، شاهی و تنباکو کار کند. آنها همچنین نشان دادند که می توانند توانایی سلطع کردن نور را در برگهای گیاهی به نام گوش فیل تایلندی ایجاد کنند که عرض آن بیش از یک پا است – اندازه ای که می تواند گیاهان را به عنوان منبع روشنایی در فضای باز قابل استفاده کند.
محققان همچنین بررسی کردند که آیا نانوذرات با عملکرد طبیعی گیاه تداخل دارند یا خیر. آنها دریافتند که طی یک دوره ۱۰ روزه، گیاهان می توانند به طور طبیعی فتوسنتز کرده و از طریق روزنه های خود آب را تبخیر کنند. پس از پایان آزمایشات، محققان توانستند حدود ۶۰ درصد فسفر را از گیاهان استخراج کرده و مجدداً در گیاه دیگری استفاده کنند.
محققان در آزمایشگاه استرانو در حال کار بر روی ترکیب ذرات خازن نور فسفر با نانوذرات لوسیفراز هستند که در مطالعه خود در سال ۲۰۱۷ استفاده کردند، به امید اینکه ترکیب این دو فناوری باعث ایجاد گیاهانی شود که می توانند حتی نور درخشانتری را برای مدت زمان طولانی تولید کنند.
Science Advances, Augmenting the living plant mesophyll into a photonic capacitor, 2021
