Zielone roboty, czyli jak powstają e-rośliny
W Sekcji Archeo w pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.
Róża, którą niedawno zaprezentował zespół uczonych ze szwedzkiego Linköpings universitet, nie tylko cieszy oko i roztacza wokół siebie intensywny miły zapach, ale ma też inne, niezwykłe jak na popularny kwiat właściwości – doskonale przewodzi prąd i może go jeszcze magazynować. Kluczem do stworzenia „elektrycznej” róży była opracowana przez szwedzkich badaczy substancja o niecodziennych cechach. Po pierwsze, może ona swobodnie przemieszczać się przez ksylem, czyli roślinną tkankę transportującą wodę i substancje odżywcze. Po drugie, wewnątrz rośliny tworzy przewodzący prąd polimer. Wędrująca razem z wodą substancja wypełniła praktycznie całą różę i po spolimeryzowaniu utworzyła złożony system przewodzących elektryczność włókien, które sięgały aż do płatków kwiatu. Okazało się przy tym, że roślina może działać podobnie jak kondensator, czyli magazynować elektryczność. „Byliśmy w stanie naładować naszą różę setki razy bez jakiegokolwiek spadku właściwości stworzonego systemu. Poziom magazynowania energii, jaki uzyskaliśmy, był porównywalny z tym, jaki można uzyskać w superkondensatorach” – powiedziała współautorka eksperymentu prof. Eleni Stavrinidou.
Elektrownie, czujniki i sterowane kwiaty
Naturalnie rodzi się pytanie o cel takich zabiegów, bo przecież istnieją prostsze sposoby na gromadzenie prądu. Przeprowadzone doświadczenie to dopiero początek długiej drogi do praktycznych zastosowań, ale badacze już teraz przedstawiają kilka pomysłów na wykorzystanie e-roślin. Jeden z nich to prawdziwie zielone, czerpiące energię z fotosyntezy elektrownie. Fotosynteza to proces, w którym specjalny barwnik nazywany chlorofilem (to właśnie on nadaje roślinom zielony kolor) pochłania fotony, a zdobyta w ten sposób energia jest przez rośliny wykorzystywana do produkcji substancji organicznych.
To jednak nie koniec pomysłów. Dzięki wzbogaconym o elektronikę roślinom hodowca mógłby dowiedzieć się, czy jego uprawie nie brakuje wody lub nawozu albo że zaatakowały ją szkodniki. Rośliny produkujące leki lub inne substancje przekazywałyby informacje o ich stężeniu. A może też pewnego dnia w kwiaciarni będzie można wybrać sobie zapach i kolor ulubionego kwiatu. „Rośliny są bardzo atrakcyjne jako platforma do wykorzystania. Same się naprawiają, zapewniają stabilne środowisko, mogą przetrwać w trudnych warunkach, mają własne źródło zasilania i system transportu wody” – wyjaśnia prof. Michael Strano, naukowiec zajmujący się bionicznymi roślinami w Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Nanomaszyny w tkankach
Aby wizje o łączeniu natury i techniki się ziściły, potrzebne są różnego rodzaju mikroskopijne czujniki i inne elementy oddziałujące z rośliną. Właśnie nad takimi przyrządami pracują już naukowcy z MIT. Przed trzema laty donieśli oni o zwiększeniu absorpcji światła w czasie fotosyntezy prowadzonej przez rzodkiewnika pospolitego. Uczeni wprowadzili do chloroplastów (czyli komórkowych organelli, w których zachodzi fotosynteza) pokryte negatywnie naładowanym DNA węglowe nanorurki. W wyizolowanych z rośliny chloroplastach stopień pochłaniania światła wzrósł dzięki temu aż o 49%, a w żywej roślinie – o 30%. Prawdopodobnie stało się tak, ponieważ nanorurki zwiększyły zakres częstotliwości światła pochłanianego przez chlorofil, m.in. o światło zielone, ultrafioletowe i podczerwone. Badacze sprawdzają jeszcze, jak wzrost absorpcji fotonów przekłada się na poziom produkcji przez roślinę substancji organicznych.
Ale węglowe nanorurki mogą pełnić wewnątrz rośliny różnorodne funkcje. W ubiegłym roku zespół z MIT wyprodukował wzbogacony o nie szpinak, który wykrywa materiały wybuchowe. Tym razem nanorurki zostały tak zmodyfikowane, aby łączyły się z nitrozwiązkami aromatycznymi. Substancje te występują m.in. w minach. Jeśli taka substancja znajdzie się w wodzie w pobliżu rośliny, wystarczy zaledwie 10 min, aby dotarła do liści, gdzie połączy się z nanorurkowymi detektorami. To przyłączenie zmienia właściwości fluorescencyjne nanorurek i po oświetleniu liścia promieniem lasera emitują one światło o innej długości fali niż bez dodatkowej substancji. Do wykrycia tego sygnału wystarcza niedroga kamera na podczerwień połączona z miniaturowym komputerem, a według naukowców wystarczyłby do tego nawet smartfon po usunięciu z jego kamery podczerwonego filtra. System taki działa z dystansu 1 m. Badacze pracują nad znacznym zwiększeniem tej odległości, a przy tym wyprodukowali już nanorurki przeznaczone do wykrywania innych substancji, m.in. tlenku azotu (powstaje w czasie spalania paliw kopalnych) czy bojowego gazu sarinu. Chcą też zaprojektować sensory do badania wewnętrznego środowiska roślin, służące np. do ostrzegania przed atakiem szkodników czy chorobą. – Rośliny stanowią potężne źródło informacji. Mogą nieustannie oddziaływać ze środowiskiem, absorbując i kumulując różnorodne cząsteczki i związki oraz reagując na zmiany w temperaturze czy wilgotności – powiedział „Wiedzy i Życiu” jeden z badaczy, Min Hao Wong. – W naszej pracy chcemy pokazać, że ludzie mogą mieć łatwy dostęp do tych cennych informacji.
Rośliny się bronią
Warto przyjrzeć się, jak uczeni zdołali zintegrować produkt nanotechnologii z wytworem natury, bo rośliny nie tak chętnie przyjmują obce im urządzenia. Początkowo badacze pracowali nad samonaprawiającymi się bateriami słonecznymi, wzorowanymi na roślinach. Do ich stworzenia chcieli wykorzystać wyizolowane chloroplasty. Niestety poza rośliną szybko ulegają one zniszczeniu przez wolne rodniki. Zespół z MIT opracował więc metodę wprowadzania do wnętrza chloroplastów przeciwutleniaczy otoczonych substancją, która pozwala im przeniknąć przez błonę roślinnych organelli. Gdy to się powiodło, tą samą substancją otoczyli węglowe nanorurki, aby wprowadzić je do chloroplastów z nadzieją na usprawnienie fotosyntezy. Kiedy jednak badacze próbowali umieścić nanorurki w żywej roślinie, pojawiła się kolejna przeszkoda – mechanizm, który zapobiegał prostemu wchłanianiu węglowych elementów przez korzenie. Nie działało też przecinanie liści i moczenie ich w roztworze z nanorurkami. Udało się je wprowadzić do roślinnej tkanki dopiero dzięki podaniu ich pod zwiększonym ciśnieniem przez aparaty szparkowe – niewielkie otwory w liściach służące wymianie tlenu i dwutlenku węgla.
Węgiel i złoto
Obecnie rozwijane są różnorodne technologie, które mogą przyczynić się do powstania bionicznych roślin. Należy do nich oparta na węglu elektronika. Wykorzystuje ona m.in. cienkie układy, które można zginać i zwijać. To ogromne zalety, jeśli chodzi o łączenie z roślinami, które przecież mają nieregularne i ruchome kształty. Zespół z południowokoreańskiego Ulsan Gwahak Gisurwon (UNIST) opracował już metodę niedrogiej i prostej produkcji różnorodnych elementów tego typu, takich jak tranzystory, czujniki czy elektrody, zbudowanych z węglowych nanorurek i grafenu. Układy te można łatwo mocować do różnorodnych powierzchni, na przykład do liścia.
Czasami przydatne mogą się okazać wynalazki z innych dziedzin. Tak było z odkryciem zespołu z tajwańskiej Zhōngyāng Yánjiùyuàn (Akademii Sinica), który poszukiwał sposobu na usunięcie toksycznego pyłu fosforowego z luminescencyjnych diod. Badacze próbowali do tego wykorzystać opracowane przez siebie nanocząstki złota. Okazało się, że mają one też taką właściwość, że pod wpływem światła ultrafioletowego powodują emisję czerwonego światła przez chlorofil i uruchamiają fotosyntezę. Badacze wprowadzili je do liści często hodowanej w akwariach rośliny o nazwie bakopa karolińska. Na razie udało się tego dokonać tylko w małej skali, a światło było słabe, ale uczeni opowiadają o sadzonych w przyszłości roślinach oświetlających ulice, które przy okazji będą produkowały tlen. Jeśli więc nanotechnologiczne i inne ulepszenia roślin okażą się praktyczne i bezpieczne, być może za jakiś czas będziemy na co dzień korzystać z usług przeróżnych roślinnych robotów. Wizja trochę ciekawa, a trochę straszna.