MITの研究者たちは、ナノ粒子を使って、繰り返し充電できる発光植物を開発した。
研究者たちは「光キャパシター」を使用した。これは光を光子の形で蓄え、その後時間をかけて徐々に放出できるものだ。
植物の葉に埋め込んだ特殊なナノ粒子を使い、MITの研究者たちはLEDで充電できる発光植物を開発した。10秒間充電すると、植物は数分間明るく光り続け、繰り返し再充電することができる。
これらの植物は、研究グループが2017年に発表した発光植物の第一世代と比べて、10倍明るい光を発することができる。
「光を吸収し、その一部を蓄え、徐々に放出する粒子を使って発光植物を作りたかった」と、MITの化学工学分野カーボン・P・ダブス教授であり、今回の新研究の上級著者であるマイケル・ストラノ氏は述べる。「これは植物ベースの照明に向けた大きな一歩だ」。
「生きた植物の再生可能な化学エネルギーで環境光を生み出すというのは大胆な発想だ」と、MITの建築学教授で、ストラノ氏のグループと植物ベースの照明に関して共同研究を行ってきた論文の著者の一人であるシーラ・ケネディ氏は述べる。「照明のための生きた植物と電気エネルギーに対する私たちの考え方を、根本的に転換するものだ」。
この粒子は、ストラノ氏の研究室が当初開発した発光植物を含め、他のあらゆる種類の発光植物の光の生成を高めることもできる。これらの植物は、ホタルに含まれる酵素ルシフェラーゼを含むナノ粒子を使って光を生み出している。生きた植物に挿入された機能性ナノ粒子を自由に組み合わせて、新たな機能特性を生み出せることは、新興分野である「植物ナノバイオニクス」の一例だ。
MITの元ポスドク研究員であるパブロ・ゴルディチューク氏が、新論文の筆頭著者であり、同論文はScience Advancesに掲載されている。
光キャパシター
ストラノ氏の研究室は、さまざまな種類のナノ粒子を植物に埋め込むことで植物に新たな特性を与えることを目指す新分野「植物ナノバイオニクス」に、数年前から取り組んできた。第一世代の発光植物には、ホタルが光る仕組みを担うルシフェラーゼとルシフェリンを保持するナノ粒子が含まれていた。研究者たちはこの粒子を用いて、読書に必要な光の約1000分の1にあたる、わずかな光を数時間にわたって発するクレソンを作り出した。
今回の研究で、ストラノ氏と共同研究者たちは、光の持続時間を延ばし、より明るくする構成要素の開発を目指した。彼らは、電気を蓄えて必要なときに放出できる電気回路の一部であるキャパシターを用いるという発想に至った。発光植物の場合、光キャパシターは光を光子の形で蓄え、その後時間をかけて徐々に放出するために使うことができる。
「光キャパシター」を作るために、研究者たちはリン光体として知られる材料を使うことにした。これらの材料は、可視光または紫外線を吸収し、その後リン光として徐々に放出することができる。研究者たちは、ナノ粒子へと成形できるストロンチウムアルミネートという化合物をリン光体として使用した。植物に埋め込む前に、研究者たちは粒子をシリカで被覆したが、これは植物を損傷から守るためだ。
直径が数百ナノメートルのこの粒子は、葉の表面に存在する小さな孔である気孔を通して植物に注入できる。粒子は葉肉と呼ばれる海綿状の層に蓄積し、そこで薄い膜を形成する。今回の新研究の主要な結論は、生きた植物の葉肉に、植物を傷つけたり照明特性を犠牲にしたりすることなく、これらのフォトニック粒子を発現させることができるということだと、研究者たちは述べている。
この膜は、太陽光またはLEDからの光子を吸収することができる。研究者たちは、青色LEDに10秒間照射した後、植物が約1時間にわたって光を放出できることを示した。光は最初の5分間が最も明るく、その後徐々に弱まった。植物は少なくとも2週間にわたって継続的に再充電できることが、2019年にスミソニアン・デザイン研究所で行われた実験的展示の中で、研究チームによって実証された。
「数秒間の一回のパルスとして強い光を照射する必要があり、それによって充電することができる」とゴルディチューク氏は言う。「また、フレネルレンズのような大型のレンズを使うことで、増幅した光を1メートル以上の距離に伝達できることも示した。これは、人々が利用できる規模での照明を実現するための良い一歩だ」。
「スミソニアンで開催された『植物の特性』展は、生きた植物による照明インフラが、人々が働き、暮らす空間に不可欠な要素となる未来像を示した」とケネディ氏は言う。「生きた植物が先進技術の出発点となり得るなら、植物は、人間を含むすべての植物に依存する種の相互利益のために、現在の持続不可能な都市の電気照明網に取って代わる可能性がある」。
大規模な照明
MITの研究者たちは、「光キャパシター」の手法が、バジル、クレソン、タバコを含む多くの異なる植物種で機能することを確認した。また、タイゾウ（タイのゾウの耳）と呼ばれる植物の葉を照らせることも示した。この植物の葉は幅が1フィートを超えることもあり、屋外照明の光源として役立つ可能性がある大きさだ。
研究者たちはまた、ナノ粒子が植物の正常な機能を妨げるかどうかも調べた。その結果、10日間にわたり、植物は正常に光合成を行い、気孔を通して水分を蒸散できることがわかった。実験終了後、研究者たちは植物からリン光体の約60％を回収し、別の植物で再利用することができた。
ストラノ氏の研究室では現在、2017年の研究で使用したルシフェラーゼナノ粒子と、リン光体の光キャパシター粒子を組み合わせる研究を進めている。両技術を組み合わせることで、より明るい光を、より長時間放つ植物が生まれることを期待している。
この研究は、Thailand Magnolia Quality Development Corp.、Professor Amar G. Bose Research Grant、MITのAdvanced Undergraduate Research Opportunities Program、シンガポールの科学技術研究庁（Agency of Science, Research, and Technology）、サムスン奨学金、およびドイツ研究振興協会（German Research Foundation）の研究フェローシップによって支援された。
