Utilizzando nanoparticelle specializzate incorporate nelle foglie delle piante, Gli ingegneri del MIT hanno creato un impianto di emissione di luce che può essere caricato da un LED. Dopo 10 secondi di ricarica, le piante risplendono intensamente per diversi minuti, e possono essere ricaricate ripetutamente.

Queste piante possono produrre una luce 10 volte più luminosa della prima generazione di piante luminose che il gruppo di ricerca ha riportato nel 2017.

"Volevamo creare una pianta che emette luce con particelle che assorbano la luce, conservarne un po', ed emetterlo gradualmente, "dice Michele Strano, il Carbon P. Dubbs Professor of Chemical Engineering al MIT e l'autore senior del nuovo studio. "Questo è un grande passo avanti verso l'illuminazione a base vegetale".

"Creare luce ambientale con l'energia chimica rinnovabile delle piante viventi è un'idea audace, "dice Sheila Kennedy, un professore di architettura al MIT e un autore del documento che ha lavorato con il gruppo di Strano sull'illuminazione a base vegetale. "Rappresenta un cambiamento fondamentale nel modo in cui pensiamo alle piante viventi e all'energia elettrica per l'illuminazione".

Le particelle possono anche aumentare la produzione di luce di qualsiasi altro tipo di impianto luminescente, compresi quelli originariamente sviluppati dal laboratorio di Strano. Quelle piante usano nanoparticelle contenenti l'enzima luciferasi, che si trova nelle lucciole, per produrre luce. La capacità di mescolare e abbinare nanoparticelle funzionali inserite in una pianta vivente per produrre nuove proprietà funzionali è un esempio del campo emergente della "nanobionica vegetale".

Pavlo Gordiichuk, un ex postdoc del MIT, è l'autore principale del nuovo articolo, che appare in Progressi scientifici .

Condensatore leggero

Il laboratorio di Strano lavora da diversi anni nel nuovo campo della nanobionica vegetale, che mira a conferire alle piante nuove caratteristiche incorporandole con diversi tipi di nanoparticelle. La loro prima generazione di piante emettitrici di luce conteneva nanoparticelle che trasportano luciferasi e luciferina, che lavorano insieme per dare alle lucciole il loro bagliore. Usando queste particelle, i ricercatori hanno generato piante di crescione che potrebbero emettere luce fioca, circa un millesimo della quantità necessaria per leggere entro, per alcune ore.

Nel nuovo studio, Strano e i suoi colleghi volevano creare componenti che potessero prolungare la durata della luce e renderla più luminosa. Hanno avuto l'idea di usare un condensatore, che è una parte di un circuito elettrico in grado di immagazzinare elettricità e rilasciarla quando necessario. Nel caso di piante incandescenti, un condensatore di luce può essere utilizzato per immagazzinare la luce sotto forma di fotoni, quindi rilasciarlo gradualmente nel tempo.

Per creare il loro "condensatore leggero, " i ricercatori hanno deciso di utilizzare un tipo di materiale noto come fosforo. Questi materiali possono assorbire la luce visibile o ultravioletta e poi rilasciarla lentamente sotto forma di bagliore fosforescente. I ricercatori hanno utilizzato un composto chiamato alluminato di stronzio, che possono essere formati in nanoparticelle, come il loro fosforo. Prima di inserirli nelle piante, i ricercatori hanno rivestito le particelle in silice, che protegge la pianta dai danni.

Le particelle, che sono diverse centinaia di nanometri di diametro, può essere infuso nelle piante attraverso gli stomi, piccoli pori situati sulla superficie delle foglie. Le particelle si accumulano in uno strato spugnoso chiamato mesofillo, dove formano un film sottile. Un'importante conclusione del nuovo studio è che si può fare in modo che il mesofillo di una pianta vivente mostri queste particelle fotoniche senza danneggiare la pianta o sacrificare le proprietà di illuminazione, dicono i ricercatori.

Questo film può assorbire fotoni sia dalla luce solare che da un LED. I ricercatori hanno dimostrato che dopo 10 secondi di esposizione al LED blu, le loro piante potevano emettere luce per circa un'ora. La luce è stata più brillante per i primi cinque minuti e poi è diminuita gradualmente. Le piante possono essere continuamente ricaricate per almeno due settimane, come ha dimostrato il team durante una mostra sperimentale allo Smithsonian Institute of Design nel 2019.

"Abbiamo bisogno di una luce intensa, erogato come un impulso per alcuni secondi, e che può caricarlo, " dice Gordiichuk. "Abbiamo anche dimostrato che possiamo usare grandi obiettivi, come una lente di Fresnel, per trasferire la nostra luce amplificata a una distanza superiore al metro. Questo è un buon passo verso la creazione di un'illuminazione su una scala che le persone possano utilizzare".

"La mostra Plant Properties allo Smithsonian ha dimostrato una visione futura in cui l'infrastruttura di illuminazione delle piante viventi è parte integrante degli spazi in cui le persone lavorano e vivono, " dice Kennedy. "Se le piante viventi potessero essere il punto di partenza di una tecnologia avanzata, le piante potrebbero sostituire la nostra attuale rete di illuminazione elettrica urbana insostenibile per il reciproco vantaggio di tutte le specie dipendenti dalle piante, comprese le persone".

Illuminazione su larga scala

I ricercatori del MIT hanno scoperto che l'approccio del "condensatore leggero" può funzionare in molte specie di piante diverse, compreso il basilico, crescione, e tabacco, i ricercatori hanno scoperto. Hanno anche dimostrato di poter illuminare le foglie di una pianta chiamata l'orecchio di elefante thailandese, che può essere largo più di un piede, una dimensione che potrebbe rendere le piante utili come fonte di illuminazione esterna.

I ricercatori hanno anche studiato se le nanoparticelle interferiscono con la normale funzione della pianta. Hanno scoperto che in un periodo di 10 giorni, le piante erano in grado di fotosintetizzare normalmente e di far evaporare l'acqua attraverso i loro stomi. Terminati gli esperimenti, i ricercatori sono stati in grado di estrarre circa il 60 percento dei fosfori dalle piante e riutilizzarli in un'altra pianta.

I ricercatori del laboratorio di Strano stanno ora lavorando per combinare le particelle del condensatore di luce al fosforo con le nanoparticelle di luciferasi che hanno usato nel loro studio del 2017, nella speranza che la combinazione delle due tecnologie produca impianti in grado di produrre una luce ancora più brillante, per periodi di tempo più lunghi.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.