人造向日葵:向着光,自己动

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人造向日葵:向着光,自己动

怎么追逐一道光

许多生物都乐意跟踪光源,不论是花朵弯向太阳,还是苍蝇追逐光亮。这种向光性(phototropism)最著名的例子就是向日葵

一朵向日葵 | duitang.com

在向日葵还未盛开时,花盘总是会朝向太阳。它们之所以这么做,本质上是为了弥补由倾斜照明引起的能量损失。光斜着照,植物吸收的能量就少。有人计算过,当光的入射角为 30 ° 时,花朵表面接收到的能量只有光正面入射时的一半。

为了直面阳光,向日葵要不断扭动 ” 脖子 “。它们的茎部含有生长素,本来生长素的分布是均匀的,但是当阳光照射的时候,向光的一面所含有的生长素会转移到背光处,从而让背光处较快生长,带动花朵向有光的一面倾斜。

在向光运动的帮助下,向日葵不止能加强自身的光合作用,还可以提高花盘温度,从而吸引更多蜜蜂来帮忙传粉 [ 1 ] 。

在人造产品中,也有很多需要迎着太阳的,比如太阳能电池。因此,它们也同样面临着阳光角度变化带来的能量损失。目前,人们采用的应对方法是通过电脑计算出太阳的轨迹,再用马达来调整电池板的角度。这种方法虽然有效,但却增加了设备的成本,同时也产生了大量能耗。

既然我们早就看破了向日葵的秘密,能不能让人造物学学向日葵——跟着太阳,自己动?

2019 年,美国加州大学洛杉矶分校的贺曦敏教授研究团队,开发了一种复合纳米材料系统,能够准确瞄准光的方向,自发运动追光,堪称 ” 人造向日葵 “。这一研究成果发表在《自然 · 纳米技术》上。

向日葵和人造向日葵 SunBOT | 参考文献 [ 2 ]

这款名为 “仿向日葵全角度光源追踪器”(SunBOT)的系统,是一种温度响应性水凝胶,内部分布着大量纳米级的光吸收剂。

这些纳米光吸收剂可以是金纳米颗粒,也可以是石墨烯。光吸收剂能够有效吸收光照的能量,并产生热量。温度响应性水凝胶则是一种高分子材料,主要成分是聚(N- 异丙基丙烯酰胺),随着温度改变时,这种高分子会发生收缩或舒张。

SunBOT 成分示意图,这种材料在温度变化时会发生变形 | 参考文献 [ 2 ] ,汉化:悲催的铊宝宝

在人造向日葵中,水凝胶对应着向日葵的茎,而纳米光吸收剂扮演着植物生长素的角色。在有光亮时,人造向日葵中的纳米光吸收剂会产生热量,这种局部温度的升高会诱发温度响应性水凝胶发生变形,从而向光源方向弯曲。一旦人造向日葵对准了光源,也就是水凝胶柱头朝向了光源,那么柱体受到的光照就减小了,从而使得温度会恢复到相对均匀的状态,这种弯曲过程停止,也就是向光运动停止。

这款 SunBOT 系统可以实时探测并跟踪来自任意方向的入射光,响应速度达到毫秒。只要有光照过来,人造向日葵就会 ” 唰 ” 的一下转过头去。关键是全程无需辅助电源或人为干预。

基于人造向日葵原理的器件(太阳能水蒸发器),能够根据光的入射角度自动调节 | 参考文献 [ 2 ]

科学家们将这套设备的原理应用在了小型太阳能水蒸发器上。在倾斜照明的条件下,SunBOT 系统对太阳能的收集能力比传统材料提高了 400%。

仿造出一个大自然——纳米仿生学

人造向日葵这类研究属于纳米仿生领域。

在这个生机盎然的领域中,科学家们关注的可不仅仅是一个向日葵,他们甚至想仿造出一个大自然。

经过数百万年的进化,自然界中充满了令人眼花缭乱的生物,它们具有的功能比迄今任何人工制造的机械都优越得多。向自然界学习,是人类能快速进步的方法之一。从蝴蝶到水草,从贝壳到鱼鳞,万物皆可仿生。

万物皆可纳米仿生 | jianglei.iccas.ac.cn,汉化:悲催的铊宝宝

纳米仿生的研究主要有两个方向,一种是结构性仿生,另一种是功能性仿生。

结构性仿生,就是通过构造与生物近似的微观结构,来模仿生物的一些神奇的能力。其中,最出名的研究就是荷叶。

荷叶表面覆盖着无数微米级的突起。在微米突起上面,又有更为细小的纳米级结构,尺寸只有 200 纳米。水滴无法吸附在这种特定的微纳结构上,从而出现了荷叶疏水的现象。通过模仿荷叶的这种微观结构,人们可以将疏水性赋予到普通的织物上,从而做出不沾水渍的外套和领带。

水滴在荷叶表面的状态示意图 | phy.org

所谓的功能性仿生,就是通过合成特定的纳米材料,来模仿生物的功能。上文提到的人造向日葵,就是一种典型的功能性仿生。

目前,最热门的功能性仿生研究当属光催化。

受到植物光合作用的启发,科学家们想通过合成特定的纳米光催化剂,把二氧化碳直接加工成有机物。如果这方面的研究能取得突破,那么人类不仅可以降低二氧化碳浓度,还能同时获得优良的碳基燃料。

目前,已经被证明可行的一些方案,能将二氧化碳转变为甲烷、甲醇等有机物。比如 2018 年,中美科学家联手开发了一种方法,可利用太阳光驱使二氧化碳化学转化为氨基酸 [ 3 ] 。

光催化还原二氧化碳原理示意图:催化剂受到光照,可将二氧化碳还原为其他含碳有机物 | 参考文献 [ 4 ]

虽然科学家们在努力开发各种光催化剂吸收处理二氧化碳,但目前在成本和实用性方面,远远比不上真实的树叶。

不过,这已经不错了。人类在向大自然学习如何追逐一道光的过程中,已经看到了星星点点的光亮了,不是吗?

作者名片

作者:圆的方块

编辑:Yuki、悲催的铊宝宝

排版:凝音

题图来源:Pixabay

参考文献:

[ 1 ] https://news.cctv.com/2020/08/27/ARTIyL0PeE9SQOjwFZNIgLbu200827.shtml

[ 2 ] Artificial phototropism for omnidirectional tracking and harvesting of light, Nature Nanotechnology 2019.

[ 3 ] Visible light-promoted CO2 fixation with imines to synthesized iaryl α -aminoacids, Nature Communication 2018.

[ 4 ] Photocatalytic conversion of CO2 into value-added and renewable fuels, Applied Surface Science 342 ( 2015 ) 154 – 167.

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