Tecnologia Científica

A próxima geração de plantas brilhantes
Usando nanopartículas que armazenam e liberam luz gradualmente, os engenheiros criam plantas emissoras de luz que podem ser carregadas repetidamente.
Por Anne Trafton - 19/09/2021


Usando nanopartículas especializadas embutidas nas folhas das plantas, os engenheiros do MIT criaram uma nova planta emissora de luz que pode ser carregada por um LED. Nesta imagem, as partes verdes são as nanopartículas que foram agregadas na superfície do tecido mesofilo esponjoso dentro das folhas da planta. Créditos: Cortesia dos pesquisadores

Usando nanopartículas especializadas embutidas em folhas de plantas, os engenheiros do MIT criaram uma planta emissora de luz que pode ser carregada por um LED. Após 10 segundos de carregamento, as plantas brilham intensamente por vários minutos e podem ser recarregadas repetidamente.

Essas plantas podem produzir luz 10 vezes mais brilhante do que a primeira geração de plantas brilhantes que o grupo de pesquisa relatou em 2017.

“Queríamos criar uma planta emissora de luz com partículas que absorvessem luz, armazenassem parte dela e a emitissem gradualmente”, diz Michael Strano, o professor de Engenharia Química da Carbon P. Dubbs no MIT e autor sênior do novo estude. “Este é um grande passo em direção à iluminação baseada em plantas.”

“Criar luz ambiente com a energia química renovável de plantas vivas é uma ideia ousada”, diz Sheila Kennedy, professora de arquitetura do MIT e autora do artigo que trabalhou com o grupo de Strano em iluminação baseada em plantas. “Representa uma mudança fundamental na forma como pensamos sobre plantas vivas e energia elétrica para iluminação.”

As partículas também podem aumentar a produção de luz de qualquer outro tipo de planta emissora de luz, incluindo aquelas desenvolvidas originalmente pelo laboratório de Strano. Essas plantas usam nanopartículas contendo a enzima luciferase, encontrada nos vagalumes, para produzir luz. A capacidade de misturar e combinar nanopartículas funcionais inseridas em uma planta viva para produzir novas propriedades funcionais é um exemplo do campo emergente de "nanobiônica vegetal".

Pavlo Gordiichuk, ex-pós-doutorado do MIT, é o principal autor do novo artigo, publicado na Science Advances .

Capacitor leve

O laboratório de Strano vem trabalhando há vários anos no novo campo da nanobiônica de plantas, que visa dar às plantas características inovadoras incorporando-as a diferentes tipos de nanopartículas. Sua primeira geração de plantas emissoras de luz continha nanopartículas que carregam luciferase e luciferina, que trabalham juntas para dar brilho aos vagalumes. Usando essas partículas, os pesquisadores geraram plantas de agrião que podiam emitir luz fraca, cerca de um milésimo da quantidade necessária para ler, por algumas horas.

No novo estudo, Strano e seus colegas queriam criar componentes que pudessem estender a duração da luz e torná-la mais brilhante. Eles tiveram a ideia de usar um capacitor, que é uma parte de um circuito elétrico que pode armazenar eletricidade e liberá-la quando necessário. No caso de plantas brilhantes, um capacitor de luz pode ser usado para armazenar luz na forma de fótons e, em seguida, liberá-la gradualmente com o tempo.

Para criar seu “capacitor de luz”, os pesquisadores decidiram usar um tipo de material conhecido como fósforo. Esses materiais podem absorver a luz visível ou ultravioleta e, em seguida, liberá-la lentamente como um brilho fosforescente. Os pesquisadores usaram um composto chamado aluminato de estrôncio, que pode ser formado em nanopartículas, como seu fósforo. Antes de incorporá-los às plantas, os pesquisadores revestiram as partículas com sílica, que protege a planta de danos.

As partículas, que têm várias centenas de nanômetros de diâmetro, podem ser infundidas nas plantas por meio dos estômatos - pequenos poros localizados na superfície das folhas. As partículas se acumulam em uma camada esponjosa chamada mesofilo, onde formam uma película fina. A principal conclusão do novo estudo é que o mesofilo de uma planta viva pode ser feito para exibir essas partículas fotônicas sem prejudicar a planta ou sacrificar as propriedades de iluminação, dizem os pesquisadores.

Este filme pode absorver fótons da luz solar ou de um LED. Os pesquisadores mostraram que após 10 segundos de exposição ao LED azul, suas plantas podiam emitir luz por cerca de uma hora. A luz era mais brilhante nos primeiros cinco minutos e depois diminuía gradualmente. As plantas podem ser recarregadas continuamente por pelo menos duas semanas, como a equipe demonstrou durante uma exposição experimental no Smithsonian Institute of Design em 2019.

“Precisamos ter uma luz intensa, fornecida como um pulso por alguns segundos, e que possa carregá-la”, diz Gordiichuk. “Também mostramos que podemos usar lentes grandes, como lentes de Fresnel, para transferir nossa luz amplificada a uma distância superior a um metro. Este é um bom passo para a criação de iluminação em uma escala que as pessoas possam usar. ”

“A exposição Plant Properties no Smithsonian demonstrou uma visão de futuro em que a infraestrutura de iluminação de plantas vivas é parte integrante dos espaços onde as pessoas trabalham e vivem”, diz Kennedy. “Se as plantas vivas pudessem ser o ponto de partida de tecnologia avançada, as plantas poderiam substituir nossa rede de iluminação elétrica urbana insustentável para o benefício mútuo de todas as espécies dependentes de plantas - incluindo as pessoas.”

Iluminação em grande escala

Os pesquisadores do MIT descobriram que a abordagem do “capacitor de luz” pode funcionar em muitas espécies de plantas diferentes, incluindo manjericão, agrião e tabaco, descobriram os pesquisadores. Eles também mostraram que podem iluminar as folhas de uma planta chamada orelha de elefante da Tailândia, que pode ter mais de trinta centímetros de largura - um tamanho que pode tornar as plantas úteis como fonte de iluminação externa.

Os pesquisadores também investigaram se as nanopartículas interferem na função normal da planta. Eles descobriram que ao longo de um período de 10 dias, as plantas foram capazes de fotossintetizar normalmente e de evaporar a água através de seus estômatos. Uma vez que os experimentos terminaram, os pesquisadores foram capazes de extrair cerca de 60 por cento dos fósforos das plantas e reutilizá-los em outra planta.

Os pesquisadores do laboratório de Strano agora estão trabalhando na combinação das partículas do capacitor de luz de fósforo com as nanopartículas de luciferase que usaram em seu estudo de 2017, na esperança de que a combinação das duas tecnologias produza plantas que podem produzir uma luz ainda mais brilhante, por longos períodos de tempo.

A pesquisa foi financiada pela Thailand Magnolia Quality Development Corp., uma bolsa de pesquisa do professor Amar G. Bose, o Programa de Oportunidades de Pesquisa de Graduação Avançada do MIT, a Agência de Ciência, Pesquisa e Tecnologia de Cingapura, uma bolsa de estudos da Samsung e uma bolsa de pesquisa da Fundação Alemã de Pesquisa .

 

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