利用綠色植物產生太陽能？探測炸彈或污染物？

材料牛注：對碳納米管的科學研究已經持續多年了。麻省理工學院研發的一種新型生物納米技術也許可以使植物用于太陽能發電，炸彈或污染傳感器等。

人們一直設想使納米仿生植物可以仿照植物細胞、葉綠體，走出實驗室，用做自修復太陽能電池。在植物中，葉綠體具有自修復功能，而一旦將其從植物移除，就變的脆弱而易受傷。由EPA(Environmental Protection Agency)進行科研資助，麻省理工學院（MIT）的研究人員研究如何增強脫離植物的葉綠體光合作用的方法，發掘其在太陽能電池領域的潛在應用。MIT的此項研究不僅關注生物太陽能電池制備，同時也探索植物的新功能，譬如監測環境污染（N2O等）。

MIT的研究人員發明了一種方法，可以連續的集成、組裝碳納米管（CNTs）和氧清除納米顆粒進入植物葉綠體中。葉綠體是植物細胞中可以進行光合作用的部分，即把光轉換為能量。把碳納米管加入葉綠體內可以使光合作用增強約30%~49%，而具體作用大小取決于葉綠體是否存在于活體植物中。其它的研究表明，在脫離植物的葉綠體中加入二氧化鈰納米粒子將顯著減少超氧化物濃度，而超氧化物是一種對植物有毒的化合物。研究人員同樣發現，增強光合作用后的植物可以用于檢測N2O。

據EPA介紹，氮氧化物（N2O）約占全美國人類活動排放溫室體的5%。氮氧化物在大氣中出現屬正常現象，但是農業種植、化石燃料燃燒，污水排放和工業加工等人類活動正在不斷增加大氣中的N2O含量。1磅N2O對大氣變暖的作用約是1磅CO2的300倍。

“把植物作為科技平臺是很吸引人的”，MIT研究團隊負責人Michael Strano表示，“它們可以自修復，在室外具有環境穩定性，不懼怕嚴苛的環境，能量自給自足，自行分配水分”。

葉綠體可以吸收太陽光譜范圍內的可見光，比正常光合租用吸收的光能少約10%。研究人員表示，“納米生物方法”或許可以使可用于光合作用的太陽光譜寬度增加。這將有助于植物成長，產生能量，檢測周圍環境（如氣體成分變化等）。

MIT的研究人員研究發現，包覆DNA和殼聚糖（來自蝦和其他甲殼動物外殼的生物分子）的高電荷單壁碳納米管可以自發滲透進入葉綠體中。研究人員將這一過程稱為“脂交換膜滲透（lipid exchange envelope penetration，LEEP）”。通常，植物可以利用約10%的輻射到地球的太陽光。碳納米管的作用就像人工天線一樣，它使葉綠體可以捕獲的波長范圍拓寬，延伸至紫外光、綠光和近紅外光。

一些觀點認為利用這項技術可以使植物葉綠體用于太陽能發電。而需要克服的困難在于，葉綠體（尤其是脫離植物后）中的光和蛋白在光和氧的作用下發生損耗，致使葉綠體容易發生分解。而利用有效的氧自由基清除劑（譬如二氧化鈰納米粒子）與高電荷高分子（聚丙烯酸）相結合，同時采用LEEP提取葉綠體可以有效減少葉綠體損傷。

納米生物技術將有助于光捕獲和太陽能轉換仿生材料的發展，也會對再生特性和效率提升的生物化學檢測方面提供有益指導。

“目前，幾乎很少有人涉足這一新領域”，MIT博士后，植物生物學家Juan Pablo Giraldo表示。他設想把植物變為“自供電系統”的光子器件，譬如爆炸物或化學武器的探測器。研究人員同樣致力于集成電子設備到植物中。Strano表示，“這一領域前景十分廣闊”。Giraldo認為這是植物生物學家和納米化學工程技術研究人員一起開拓這一新領域的良好契機。也許不久的將來，家里的籬笆可以利用太陽能發電，植物檢測到毒藥、炸彈或污染時就能自動報警啦！

參考原文鏈接：Will Your Plants Produce Solar Power? Detect Bombs? Pollutants?

本文由編輯部丁菲菲提供素材，李玉飛編譯，點我加入材料人編輯部。

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