Изображение отражения в ярком поле двух областей листьев Macodes petola, показывающее плотно упакованную гексагональную решетку ближнего порядка с перераспределением света в плоскости между ячейками посредством перекрестной связи (синие и желтые прямоугольники). Кредит: Advanced Optical Materials (2024). DOI: 10.1002/adom.202401729
Солнечные панели отлично работают в условиях полного солнечного света, но во многих регионах в любой день мало солнечного света, что означает, что вырабатывается меньше энергии, чем необходимо. Теперь исследователи Тафтса обнаружили, что определенный тип драгоценной орхидеи, которая процветает в условиях слабого освещения, может стать ключом к решению этой проблемы.
Сотрудники факультета инженерного факультета Джулия Гвидетти и Фиоренцо Оменетто сообщают об этом в статье, опубликованной в журнале Advanced Optical Materials, что листья драгоценной орхидеи Macodes petola состоят из куполообразных клеток, которые позволяют им улавливать в три раза больше света, чем обычные клетки «кожи» растения, и делиться этим светом с соседними клетками, действуя по сути как оптическая сеть.
Этот сетевой процесс максимизирует свет, который растение может использовать для преобразования солнечного света в химическую энергию, необходимую для его функционирования.
Исследователи скопировали эти клеточные паттерны, используя биоматериал на основе шелка и белка, имитирующий возможности орхидеи по сбору света и оптической сети, и предполагают, что солнечные панели, изготовленные из такого материала, «превзойдут гибкие солнечные элементы, которые существуют сегодня», говорит Оменетто, профессор инженерии Фрэнка С. Добла и директор Silklab в Университете Тафтса.
Теперь Гвидетти, доцент кафедры биомедицинской инженерии, и Оменетто получили грант на дальнейшее исследование систем сбора света растениями и возможности применения оптических сетей этих систем для повышения эффективности использования солнечной энергии.
Интригующая закономерность
Гвидетти случайно наткнулась на особые свойства растения. По ее словам, во время пандемии она купила много комнатных растений, особенно ее привлекали те, у которых были блестящие, металлически выглядящие листья, и ей стало интересно, что сделало их такими.
«Я поместила их под микроскоп и увидела, что поверхности их листьев не были плоскими, как у обычных листьев, и что на них был микроузор», — говорит она. «Все это было продиктовано любопытством».
Растения принимают солнечный свет и преобразуют его в глюкозу — форму энергии, которая поддерживает всю жизнь на Земле. Эпидермальные — или кожные — клетки растений отвечают за поглощение солнечного света.
Отчеты ботаников уже отмечали коническую форму этих клеток у некоторых драгоценных орхидей, с предположением, что они могут улучшить эффективность концентрации света для максимального преобразования в энергию, необходимую для растения, которое существует в природе в условиях низкой освещенности.
Но другие исследователи не изучали, как форма и расположение клеток могут повлиять на их способность фотосинтезировать световую энергию, говорят Гвидетти и Оменетто в своей статье.
Оптический отклик листьев растений из рода Orchidaceae: Macodes petola, Ludisia discolor, Anoectochilus roxburghii и Phalenopsis phantom (обыкновенная орхидея). Источник: Advanced Optical Materials (2024). DOI: 10.1002/adom.202401729
Внимательно присмотревшись к драгоценным орхидеям Macodes petola, они обнаружили, что поверхностные клетки не плоские или конусообразные, как у многих растений, а больше похожи на купола, говорит Гуидетти, заместитель директора Silklab.
< р>«Мы считаем, что это работает следующим образом: свет поступает сверху, и вместо того, чтобы фокусироваться внутри листа, где находятся хлоропласты, наличие куполов в основном позволяет свету распространяться по поверхности листа, позволяя также непрямо освещенным клеткам осуществлять фотосинтез, что приводит к общей более высокой эффективности фотопреобразования», — говорит она.
Копирование природных узоров
После картирования типов поверхностных клеток, их связей и их изменчивости, исследователи решили скопировать его. Они нанесли тонкий слой силиконового полимера на поверхность листьев, образовав негативную копию поверхности листьев. Затем они вылили на него прозрачную смесь шелкового белка, создав точную копию микроскопической формы клеточных узоров на листьях.
Шелк, производимый шелкопрядами, а затем переработанный в водный раствор, использовался Оменетто и другими исследователями Silklab для изготовления очень широкого спектра продукции, от рассасывающейся электроники до биосовместимых датчиков. Шелк также доступен в коммерческих масштабах, и на шелководческих фермах его производят около полумиллиона тонн в год, говорит Оменетто.
Исследователи пишут, что шелкопрядильная версия листа «точно воспроизводит» круглую форму растительных клеток вместе с их шестиугольным расположением и «перекрестной связью, наблюдаемой между соседними клетками при освещении видимым светом, аналогичной той, что наблюдается в листьях растений».
Гвидетти и Оменетто добавили краситель в шелковый материал, используемый в репликах листьев растений, что позволило им отслеживать свет, перемещающийся от клетки к клетке. Биоматериал также имитирует изгибы и гибкость листьев, что снова обеспечивает больший доступ к свету и способность распределять свет по листу.
«Такие живые оптические сети на основе растений могут служить источником вдохновения для разработки функциональных материалов, которые эффективно собирают, манипулируют и обрабатывают свет с помощью мягких, конформных и устойчивых форматов материалов, как предварительно было продемонстрировано при воспроизведении живой структуры. листа», — пишут Гуидетти и Оменетто.
Это «первая демонстрация оптических сетей в живой системе, потому что, насколько нам известно, ничего подобного ранее не наблюдалось ни в одном растении — система, которая может управлять светом с помощью упорядоченной сборки линз клеток», — добавляет Оменетто.
В настоящее время исследователи изучают другие растения семейства драгоценных орхидей, сравнивая формы растительных клеток с теми, которые существуют в условиях средней и высокой освещенности, и изготавливают копии структуры листьев, ища растения, которые могли бы улавливать свет еще эффективнее.
Они также планируют провести эксперимент, чтобы выяснить, может ли изменение условий освещения, в которых находятся драгоценные орхидеи, изменить работу сети распределения света.
Дополнительная информация: Джулия Гвидетти и др., Открытие живых оптических сетей в листьях орхидей как вдохновение для сбора и перераспределения света в мягких криволинейных форматах материалов, Усовершенствованные оптические материалы (2024). DOI: 10.1002/adom.202401729
Информация о журнале: Advanced Optical Materials Предоставлено Университетом Тафтса
