Mediante nanopartículas, ingenieros del MIT han creado plantas emisoras de luz que pueden recargarse repetidamente.
Los investigadores utilizaron un condensador de luz, que puede almacenar luz en forma de fotones y liberarla gradualmente con el tiempo.
Mediante nanopartículas especializadas incrustadas en las hojas de las plantas, ingenieros del MIT han creado una planta emisora de luz que puede cargarse con un LED. Tras 10 segundos de carga, las plantas brillan intensamente durante varios minutos, y pueden recargarse repetidamente.
Estas plantas pueden producir una luz 10 veces más brillante que la primera generación de plantas luminosas que el grupo de investigación presentó en 2017.
«Queríamos crear una planta emisora de luz con partículas que absorban la luz, almacenen parte de ella y la emitan gradualmente», afirma Michael Strano, catedrático Carbon P. Dubbs de Ingeniería Química del 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», afirma 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 en que concebimos las plantas vivas y la energía eléctrica para la iluminación».
Las partículas también pueden aumentar 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, presente en las luciérnagas, para producir luz. La capacidad de combinar nanopartículas funcionales insertadas en una planta viva para generar nuevas propiedades funcionales es un ejemplo del campo emergente de la «nanobiónica vegetal».
Pavlo Gordiichuk, antiguo becario postdoctoral del MIT, es el autor principal del nuevo artículo, que se publica en Science Advances.
Condensador de luz
El laboratorio de Strano lleva varios años trabajando en el nuevo campo de la nanobiónica vegetal, que pretende 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 que transportan luciferasa y luciferina, que actúan conjuntamente para dar a las luciérnagas su brillo. Con estas partículas, los investigadores obtuvieron plantas de berro capaces de emitir una luz tenue, de aproximadamente una milésima de la cantidad necesaria para leer, durante unas pocas horas.
En el nuevo estudio, Strano y sus colegas quisieron crear componentes que pudieran prolongar la duración de la luz y hacerla más intensa. Se les ocurrió la idea de utilizar un condensador, que es un componente de un circuito eléctrico capaz de almacenar electricidad y liberarla cuando sea necesario. 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 luego liberarla lentamente en forma de un resplandor fosforescente. Los investigadores utilizaron como fósforo un compuesto llamado aluminato de estroncio, que puede formarse en nanopartículas. Antes de incrustarlas en las plantas, recubrieron las partículas con sílice, que protege a la planta de daños.
Las partículas, de varios cientos de nanómetros de diámetro, pueden infundirse 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 película delgada. Una conclusión importante del nuevo estudio es que puede hacerse que el mesófilo de una planta viva muestre estas partículas fotónicas sin dañar la planta ni sacrificar las propiedades lumínicas, según explican los investigadores.
Esta película puede absorber fotones procedentes 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 intensa durante los primeros cinco minutos y luego disminuía gradualmente. Las plantas pueden recargarse de forma continua durante al menos dos semanas, como demostró el equipo durante una exposición experimental en el Smithsonian Institute of Design en 2019.
«Necesitamos una luz intensa, aplicada en un solo pulso durante unos pocos segundos, y eso puede cargarla», afirma Gordiichuk. «También demostramos que podemos utilizar lentes grandes, como una lente de Fresnel, para transferir nuestra luz amplificada a una distancia de más de un metro. Este es un buen paso hacia la creación de iluminación a una escala que las personas puedan utilizar».
«La exposición Plant Properties del Smithsonian mostró una visión de futuro en la que la infraestructura de iluminación procedente de plantas vivas forma parte integral de los espacios donde las personas trabajan y viven», afirma Kennedy. «Si las plantas vivas pudieran ser el punto de partida de una tecnología avanzada, podrían sustituir a nuestra actual red de iluminación eléctrica urbana, insostenible, 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 enfoque del «condensador de luz» puede funcionar en muchas especies vegetales diferentes, entre ellas albahaca, berro y tabaco. También demostraron que podían iluminar las hojas de una planta llamada oreja de elefante de Tailandia, que puede superar el pie de ancho, un tamaño que podría hacer útiles a estas plantas como fuente de iluminación exterior.
Los investigadores también estudiaron si las nanopartículas interfieren con el funcionamiento normal de la planta. Comprobaron que, durante un periodo de 10 días, las plantas fueron capaces de realizar la fotosíntesis con normalidad y de evaporar agua a través de sus estomas. Una vez concluidos los experimentos, los investigadores lograron extraer alrededor del 60 por ciento de los fósforos de las plantas y reutilizarlos en otra planta.
Los investigadores del laboratorio de Strano trabajan actualmente en combinar las partículas del condensador 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 capaces de emitir una luz aún más intensa durante periodos más largos.
La investigación fue financiada por Thailand Magnolia Quality Development Corp., una beca de investigación Professor Amar G. Bose, el Programa de Oportunidades de Investigación para Estudiantes de Grado Avanzados del MIT, la Agencia de Ciencia, Investigación y Tecnología de Singapur, una beca de Samsung y una beca de investigación de la Fundación Alemana para la Investigación.
