MIT通过向植物注入纳米颗粒发明可发光植物 助力环保建筑

5月16日，记者了解到，麻省理工学院的研究人员却发明出了一项植物照明技术，通过向植物注入纳米颗粒，可以将植物内储存的能量转化为光能，并维持十几天。其发光原理与萤火虫十分相似。

有了光，人类才得以在晚上学习和工作，因此照明设备是人类文明得以进步的重要原因。从古至今，从最初的篝火，蜡烛，直到现代人普遍使用的电灯泡，夜间照明工具一直在不断地发生演变。

基于这项技术，未来的绿色环保建筑将集合阳光、水、土壤和堆肥系统，不需要依靠电网就可以自我发光，成为一个前景可观的可持续能源。

因为注入纳米颗粒而发光的西洋菜

纳米颗粒具有重要的科学研究价值，它搭起了大块物质和原子、分子之间的桥梁。大块物质的物理性质通常与大小无关，但是在纳米尺寸上却通常并非如此。目前观测到了一些特殊的物理性质，例如:半导体纳米颗粒的量子束缚，一些金属纳米颗粒的表面等离子体共振(surface plasmon resonance)，磁性材料的超顺磁性。 类固体和软的纳米颗粒也被制造出来。脂质体是典型的具有类固体特性的纳米颗粒。

纳米颗粒是一种人工制造的、大小不超过100纳米的微型颗粒。它的形态可能是乳胶体、聚合物、陶瓷颗粒、金属颗粒和碳颗粒。纳米颗粒越来越多地应用于医学、防晒化妆品等中。

纳米颗粒能够渗透到膜细胞中，并沿神经细胞突触、血管和淋巴血管传播。与此同时，纳米颗粒有选择性地积累在不同的细胞和一定的细胞结构中。纳米颗粒的强渗透性不仅仅为药物的使用提供了有效性，同时，也对人体健康提出了潜在威胁。但至今，对纳米颗粒对人体健康危害的研究还很少。

早在 2017 年，麻省理工学院化学工程系教授 Michael Strano 旗下的研究团队就在实验室里成功造出了可发光的西洋菜。其秘诀在于赋予萤火虫它们看家本领的荧光素酶（luciferase）。

荧光素酶会与一种叫做荧光素（luciferin）的分子产生反应而发光。由于该反应还会产生一种会抑制荧光素酶活性的副产物，他们还添加了一种被称为辅酶A（co-enzyme A）的分子来消除此副产物，优化发光过程。

研究人员将二氧化硅、聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）和壳聚糖这三种具有良好生物降解性的材料制成纳米粒子容器，分别将这三种分子注入到植物中。在叶子中，PLGA 纳米粒子会缓慢地释放荧光素，与荧光素酶产生发光的反应。实验中，这种西洋菜可以连续释放 3.5 小时的光。

但是，虽然这种反应可以产生相当明亮的光，其亮度却无法维持，会迅速变暗。因此，研究人员近日想出了一个新办法：光电容粒子。

这种光电容粒子会以纳米粒子的形式存于植物中，能有效储存所产生的光能尖峰，保持平稳的能量输出。这样一来，原本爆亮后迅速变暗的发光植物就可以平稳地输出光，其持续时间也从较短的数小时延长到了数天甚至数周。

Strano很快意识到，他们不能把发光植物视为一个新型“灯泡”，而是要把整个概念作为可持续能源未来的一部分，融入到建筑体系里。因此，他需要一位理解其挑战和潜力的合作伙伴——麻省理工学院建筑系教授 Sheila Kennedy。

Kennedy 表示，由于发光植物需要利用自然资源才能发光，因此建筑物需要提供阳光、水（包括水的收集和回收）以及滋养土壤的堆肥。而这个挑战与在现实公寓内种植大批植物相类似——如何让植物茁壮成长，将是在今后发展该技术的关键性因素。

如今，人们对照明的需求占了全球能源消耗近 20%，每年可产生 2 亿吨二氧化碳。而一旦发光植物得以大量生产，它可取代的将不仅是一盏台灯，而是数以千万计的碳足迹，是有效的可持续能源。

未来，该团队将致力于研究向植物注射纳米粒子的新方法，使它们在植物的整个生命周期内发挥作用。此外，团队还将在树木等大型植物上进行更多实验。

团队指出，提供光明的植物需要健康生长，因此未来的绿色建筑需拥有能整合植物的新型内部生态系统，包括阳光、水和废料处理。这个概念可能会成为未来绿色建筑的理念核心。这样，人类将与植物产生更紧密的联系，就像早前历史那样。

最后，这项发明于 5 月 10 日在纽约库珀休伊特史密森尼博物馆内展出。在为期33周的“植物属性：未来城市发展”展览中，参观者将看到一个使用植物照明的纽约公寓建筑缩放模型，近距离观察植物如何向楼房提供照明。该模型还将向人们展示在未来能源有限的情况下，设计师将如何调整建筑结构，以支持最大限度的植物培育。