![Met behulp van gespecialiseerde nanodeeltjes die zijn ingebed in plantenbladeren, hebben MIT-ingenieurs een nieuwe lichtgevende plant gemaakt die kan worden opgeladen door een LED. In deze afbeelding zijn de groene delen de nanodeeltjes die zijn geaggregeerd op het oppervlak van sponsachtig mesofylweefsel in de bladeren van de plant. Krediet: Massachusetts Institute of Technology Ingenieurs creëren lichtgevende installaties die herhaaldelijk kunnen worden opgeladen](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/engineers-create-light.jpg)
Met behulp van gespecialiseerde nanodeeltjes die zijn ingebed in plantenbladeren, hebben MIT-ingenieurs een nieuwe lichtgevende plant gemaakt die kan worden opgeladen door een LED. In deze afbeelding zijn de groene delen de nanodeeltjes die zijn geaggregeerd op het oppervlak van sponsachtig mesofylweefsel in de bladeren van de plant. Krediet: Massachusetts Institute of Technology
Met behulp van gespecialiseerde nanodeeltjes die zijn ingebed in plantenbladeren, hebben MIT-ingenieurs een lichtgevende plant gemaakt die kan worden opgeladen door een LED. Na 10 seconden opladen gloeien planten enkele minuten fel op en kunnen ze 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 lichtemitterende plant creëren met deeltjes die licht absorberen, een deel ervan opslaan en het geleidelijk uitstralen”, 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 welke door Strano’s laboratorium oorspronkelijk zijn ontwikkeld. Die planten gebruiken nanodeeltjes met daarin het enzym luciferase, dat voorkomt in vuurvliegjes, om 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, dat verschijnt in: Wetenschappelijke vooruitgang.
Lichtcondensator:
Het laboratorium van Strano werkt al enkele jaren op het nieuwe gebied van nanobionics van planten, dat erop gericht is planten nieuwe eigenschappen te geven door ze in te bedden met verschillende soorten nanodeeltjes. Hun eerste generatie lichtgevende planten bevatte nanodeeltjes die luciferase en luciferine bevatten, die samenwerken om vuurvliegjes hun glans te geven. Met behulp van deze deeltjes genereerden de onderzoekers waterkersplanten die gedurende een paar uur zwak licht konden uitstralen, ongeveer een duizendste van de hoeveelheid die nodig is om te lezen.
In de nieuwe studie wilden Strano en zijn collega’s componenten maken die de duur van het licht konden verlengen en helderder konden maken. Ze kwamen op het idee om een condensator te gebruiken, een onderdeel van een elektrisch circuit dat elektriciteit kan opslaan en indien nodig kan vrijgeven. In het geval van gloeiende planten kan een lichtcondensator worden gebruikt om licht op te slaan in de vorm van fotonen en dit vervolgens geleidelijk af te geven.
Om hun “lichtcondensator” te maken, besloten de onderzoekers 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 kan worden gevormd tot nanodeeltjes, als hun fosfor. Voordat ze ze in planten insloten, bedekten de onderzoekers de deeltjes met silica, dat de plant beschermt tegen beschadiging.
De deeltjes, met een diameter van enkele honderden nanometers, kunnen via de huidmondjes, kleine poriën op het oppervlak van bladeren, in de planten worden ingebracht. De deeltjes hopen zich op in een sponsachtige laag, het mesofyl genaamd, 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 hun planten na 10 seconden blauwe LED-blootstelling ongeveer een uur licht konden 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 aantoonde tijdens een experimentele tentoonstelling in het Smithsonian Institute of Design in 2019.
“We hebben een intens licht nodig, afgegeven als één puls voor een paar seconden, en dat kan het opladen”, zegt Gordiichuk. “We hebben ook laten zien dat we grote lenzen, zoals een Fresnel-lens, kunnen gebruiken om ons versterkte 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”, zegt Kennedy. “Als levende planten het startpunt zouden kunnen zijn van geavanceerde technologie, zouden planten ons huidige niet-duurzame stedelijke elektriciteitsnet kunnen vervangen voor het wederzijdse voordeel van alle plantafhankelijke soorten, inclusief mensen.”
Grootschalige verlichting
De MIT-onderzoekers ontdekten dat de “lichtcondensator” -benadering kan werken in veel verschillende plantensoorten, waaronder basilicum, waterkers en tabak, vonden de onderzoekers. Ze toonden ook aan dat ze de bladeren konden verlichten van een plant genaamd het Thaise olifantenoor, dat 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 de planten in een periode van 10 dagen normaal konden fotosynthetiseren en water via hun huidmondjes konden verdampen. Toen de experimenten voorbij waren, waren de onderzoekers in staat om ongeveer 60 procent van de fosforen uit planten te extraheren en opnieuw te gebruiken in een andere plant.
Onderzoekers in het laboratorium van Strano werken nu aan het combineren van de fosforlichtcondensatordeeltjes met de luciferase-nanodeeltjes die ze in hun onderzoek van 2017 gebruikten, in de hoop dat het combineren van de twee technologieën planten zal produceren die nog helderder licht kunnen produceren, voor langere tijd.
Pavlo Gordiichuk et al, Het mesofyl van de levende plant vergroten tot een fotonische condensator, Wetenschappelijke vooruitgang (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abe9733
Wetenschappelijke vooruitgang
Geleverd door het Massachusetts Institute of Technology