- +1
人造向日葵:向着光,自己动
原创 圆的方块 我是科学家iScientist
01
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。
![](https://imagepphcloud.thepaper.cn/pph/image/97/436/291.jpg)
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。
![](https://imagepphcloud.thepaper.cn/pph/image/97/436/292.jpg)
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。
![](https://imagepphcloud.thepaper.cn/pph/image/97/436/293.jpg)
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。
![](https://imagepphcloud.thepaper.cn/pph/image/97/436/294.jpg)
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%。
![](https://imagepphcloud.thepaper.cn/pph/image/97/436/295.gif)
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。
![](https://imagepphcloud.thepaper.cn/pph/image/97/436/296.jpg)
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。
![](https://imagepphcloud.thepaper.cn/pph/image/97/436/297.jpg)
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]。
![](https://imagepphcloud.thepaper.cn/pph/image/97/436/298.jpg)
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
![](https://imagepphcloud.thepaper.cn/pph/image/97/436/300.jpg)
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.
原标题:《人造向日葵:向着光,自己动》
本文为澎湃号作者或机构在澎湃新闻上传并发布,仅代表该作者或机构观点,不代表澎湃新闻的观点或立场,澎湃新闻仅提供信息发布平台。申请澎湃号请用电脑访问http://renzheng.thepaper.cn。
![](/_next/static/media/pp_report.644295c3.png)
![](/_next/static/media/logo_caixun.cd299678.png)
![](/_next/static/media/logo_104x44_tianzi_white@2x.b88d1296.png)
![](/_next/static/media/logo_rebang.f9ee1ca1.png)
- 报料热线: 021-962866
- 报料邮箱: news@thepaper.cn
互联网新闻信息服务许可证:31120170006
增值电信业务经营许可证:沪B2-2017116
© 2014-2024 上海东方报业有限公司