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Utilizando nanopartículas especializadas incrustadas en las hojas de las plantas, los ingenieros del MIT han creado una planta emisora de luz que puede cargarse con un LED. Tras 10 segundos de carga, las plantas brillan con intensidad durante varios minutos y pueden recargarse repetidamente.
Estas plantas pueden producir una luz que es 10 veces más brillante que la primera generación de plantas brillantes que el grupo de investigación informó en 2017.
"Queríamos crear una planta emisora de luz con partículas que absorbieran la luz, almacenaran parte de ella y la emitieran gradualmente", dice Michael Strano, profesor de Ingeniería Química Carbon P. Dubbs en el MIT y autor principal del nuevo estudio. "Este es un gran paso hacia la iluminación basada en plantas".
"Crear luz ambiental con la energía química renovable de las plantas vivas es una idea audaz", dice Sheila Kennedy, profesora de arquitectura del MIT y autora del artículo que ha trabajado con el grupo de Strano en la iluminación basada en plantas. "Representa un cambio fundamental en la forma de pensar sobre las plantas vivas y la energía eléctrica para la iluminación".
Las partículas también pueden potenciar la producción de luz de cualquier otro tipo de planta emisora de luz, incluidas las que el laboratorio de Strano desarrolló originalmente. Esas plantas utilizan nanopartículas que contienen la enzima luciferasa, que se encuentra en las luciérnagas, para producir luz. La capacidad de mezclar y combinar nanopartículas funcionales insertadas en una planta viva para producir nuevas propiedades funcionales es un ejemplo del campo emergente de la "nanobiónica vegetal".
Pavlo Gordiichuk, antiguo postdoc del MIT, es el autor principal del nuevo trabajo, que aparece en Science Advances.
Condensador de luz
El laboratorio de Strano lleva varios años trabajando en el nuevo campo de la nanobiónica vegetal, cuyo objetivo es dotar a las plantas de nuevas características mediante la incorporación de distintos tipos de nanopartículas. Su primera generación de plantas emisoras de luz contenía nanopartículas portadoras de luciferasa y luciferina, que trabajan juntas para dar el brillo a las luciérnagas. Con estas partículas, los investigadores generaron plantas de berro que podían emitir una luz tenue, aproximadamente una milésima parte de la necesaria para leer, durante unas horas.
En el nuevo estudio, Strano y sus colegas querían crear componentes que pudieran prolongar la duración de la luz y hacerla más brillante. Se les ocurrió la idea de utilizar un condensador, que es una parte de un circuito eléctrico que puede almacenar electricidad y liberarla cuando se necesita. En el caso de las plantas luminosas, un condensador de luz puede utilizarse para almacenar luz en forma de fotones y liberarla gradualmente con el tiempo.
Para crear su "condensador de luz", los investigadores decidieron utilizar un tipo de material conocido como fósforo. Estos materiales pueden absorber luz visible o ultravioleta y liberarla lentamente en forma de brillo fosforescente. Los investigadores utilizaron como fósforo un compuesto llamado aluminato de estroncio, que puede formarse en nanopartículas. Antes de incrustarlas en las plantas, los investigadores recubrieron las partículas con sílice, que protege a la planta de posibles daños.
Las partículas, de varios cientos de nanómetros de diámetro, pueden introducirse en las plantas a través de los estomas, pequeños poros situados en la superficie de las hojas. Las partículas se acumulan en una capa esponjosa llamada mesófilo, donde forman una fina película. Una de las principales conclusiones del nuevo estudio es que se puede hacer que el mesófilo de una planta viva muestre estas partículas fotónicas sin dañar a la planta ni sacrificar sus propiedades lumínicas, dicen los investigadores.
Esta película puede absorber fotones de la luz solar o de un LED. Los investigadores demostraron que, tras 10 segundos de exposición a un LED azul, sus plantas podían emitir luz durante aproximadamente una hora. La luz era más brillante durante los primeros cinco minutos y luego disminuía gradualmente. Las plantas pueden recargarse continuamente durante al menos dos semanas, como demostró el equipo durante una exposición experimental en el Instituto Smithsoniano de Diseño en 2019.
"Necesitamos tener una luz intensa, entregada como un pulso durante unos segundos, y eso puede cargarla", dice Gordiichuk. "También demostramos que podemos utilizar grandes lentes, como una lente Fresnel, para transferir nuestra luz amplificada a una distancia superior a un metro. Es un buen paso hacia la creación de una iluminación a escala que la gente pueda utilizar".
"La exposición Plant Properties en el Smithsonian demostró una visión de futuro en la que la infraestructura de iluminación a partir de plantas vivas es una parte integral de los espacios donde la gente trabaja y vive", dice Kennedy. "Si las plantas vivas pudieran ser el punto de partida de una tecnología avanzada, las plantas podrían reemplazar nuestra actual e insostenible red de iluminación eléctrica urbana en beneficio mutuo de todas las especies dependientes de las plantas, incluidas las personas".
Iluminación a gran escala
Los investigadores del MIT descubrieron que el método del "condensador de luz" puede funcionar en muchas especies de plantas diferentes, como la albahaca, el berro y el tabaco. También demostraron que podían iluminar las hojas de una planta llamada oreja de elefante de Tailandia, que puede tener más de 30 cm de ancho, un tamaño que podría hacer que las plantas fueran útiles como fuente de iluminación exterior.
Los investigadores también estudiaron si las nanopartículas interferían en el funcionamiento normal de las plantas. Comprobaron que, durante un periodo de 10 días, las plantas eran capaces de realizar la fotosíntesis con normalidad y de evaporar agua a través de sus estomas. Una vez finalizados los experimentos, los investigadores pudieron extraer alrededor del 60 por ciento de los fósforos de las plantas y reutilizarlos en otra planta.
Los investigadores del laboratorio de Strano están trabajando ahora en la combinación de las partículas condensadoras de luz de fósforo con las nanopartículas de luciferasa que utilizaron en su estudio de 2017, con la esperanza de que la combinación de ambas tecnologías produzca plantas que puedan producir una luz aún más brillante, durante períodos más largos.
Fuentes, créditos y referencias:
Pavlo Gordiichuk et al, Augmenting the living plant mesophyll into a photonic capacitor, Science Advances (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abe9733
Imágen: Utilizando nanopartículas especializadas incrustadas en las hojas de las plantas, los ingenieros del MIT han creado una novedosa planta emisora de luz que puede cargarse con un LED. En esta imagen, las partes verdes son las nanopartículas que se han agregado en la superficie del tejido mesófilo esponjoso dentro de las hojas de la planta. Crédito: Instituto Tecnológico de Massachusetts
Este artículo se publica por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popular sitio que cubre noticias sobre la investigación, la innovación y la enseñanza del MIT.