افزایش بازدهی گیاهان با استفاده از نانوذرات و استفاده از آن ها به عنوان حسگر محیطی
در سال 2010 بود که پژوهشگران دانشگاه استنفورد گزارشي در خصوص استخراج انرژي به طور مستقيم از کلروپلاست منتشر کردند. کلروپلاست جايي است که در آن واکنش فتوسنتز گياهان صورت مي‌گيرد. هم اکنون با همراه کردن نانولوله‌هاي کربني با اين کلروپلاست‌ها، تيمي در دانشگاه MIT توانسته‌اند توانايي گياهان را در استفاده از انرژي خورشيد افزايش دهند. با انجام اين دست پژوهش‌ها، روز‌به‌روز به ايده‌ي گياهان بيونيک براي توليد انرژي بيشتر از طريق آن‌ها نزديک تر مي‌شويم. از چنين روش‌هايي مي‌توان براي ساخت محيط‌هاي تحت نظارت به وسيله‌ي گياهان نيز بهره برد. در ادامه با ما باشيد تا با اين فناوري نوين بيشتر آشنا شويد.
کلروپلاست‌ها واحدهاي مجزايي هستند که تمامي اجزاي لازم براي اجراي فرايند فتوسنتز را تماماً در خود دارند و مي‌توانند با کمک آن‌ها انرژي نوري خورشيد را به انرژي شيميايي تبديل کنند. اين واحد‌ها با جدا‌شدن از گياه اصلي، همچنان مي‌توانند به فعاليت خود به صورت مستقل ادامه دهند؛ ولي پس از چند ساعت در اثر آسيب‌هايي که نور خورشيد و اکسيژن به واحدهاي پروتئيني آن‌ها مي‌رسانند از کار مي‌افتند. اين آسيب‌ها در گياهان بوسيله‌ي خود گياهان ترميم مي‌شوند و کلروپلاست‌ها قادر به بازسازي اين آسيب‌ها به تنهايي نيستند.
در تلاشي براي بهبود عملکرد اين واحدهاي توليد انرژي در فرايند فتوسنتز، تيمي از دانشگاه MIT به سرپرستي Michael Strano، پروفسور مهندسي شيمي، آن‌ها را با نانوذرات سريم اکسايد همراه کرد تا بتوان از آن‌ها در سلول‌هاي خورشيدي بازدهي بالاتري را به دست آورد. اين نانوذرات که با نام نانوسريا نيز شناخته مي‌شوند، ضد اکسنده‌هايي بسيار قوي هستند؛ در نتيجه مي‌توانند از واحدهاي کلروپلاست در برابر آسيب‌هاي محيطي ايجاد شده توسط راديکال‌هاي آزاد اکسيژن و مولکول‌هاي ديگر و البته نور خورشيد محافظت کنند.
اين نانوذرات با استفاده از روشي جديد به نام " LEEP " که توسط همين تيم توسعه داده شده بود در کلروپلاست‌ها قرار گرفتند. در اين روش نانوذرات در ابتدا توسط پلي اکريليک اسيد پوشانده – wrapping- مي‌شدند؛ پلي آکريليک اسيد مولکولي است با بار سطحي بسيار زياد در نتيجه به نانوذرات اين امکان را مي‌داد که از غشاي چربي آبگريز اطراف کلروپلاست به راحتي بگذرند. در نتيجه‌ي استفاده از اين روش، پژوهشگران تونستند ميزان آسيب وارده ناشي از مولکول‌هاي مضر را به حداقل برسانند.
با استفاده از همين روش LEEP، پژوهشگران در تلاشي ديگر سعي کردند که نانولوله‌هاي کربني نيمه رسانا را که با استفاده از مولکول‌هاي DNA پوشانده شده بودند را به درون کلروپلاست وارد کنند. پژوهشگران اميدوار بودند که با اين کار بتوانند گياهان را وادار کنند که از نور خورشيد بيش از حد معمولي که حدود 10 درصد است استفاده کنند و در نتيجه بازدهي عملکرد آن‌ها را افزايش دهند. نانولوله‌هاي کربني در اينجا حکم آنتن‌هايي را بازي مي‌کردند که مي‌توانستند طول موج‌هاي مختلف نور را جذب کرده و آن‌ها را در اختيار سلول قرار دهند؛ طول موج‌هايي در محدوده‌ي فرابنفش، سبز يا نزديک به فروسرخ.
با اندازه‌گيري جريان الکترون در غشاي کلروپلاست، محققان توانستند بهبودي 49 درصدي را نسبت به کلروپلاست معمولي اندازه‌گيري کنند. کلروپلاست‌هاي شامل نانوسريا و نانولوله‌هاي کربني، توانستند ساعت‌ها بيش از کلروپلاست‌هاي معمولي فعاليت کنند.
براي آزمودن اين روش بر روي گياهان زنده، آن‌ها از روشي به نام تزريق آوندي براي رساندن نانوذرات به گياه استفاده کردند. در اين روش محلولي از نانوذرات به بخش زيرين ساقه‌ي گياه اعمال مي‌شد و نانوذرات از طريق آوندهاي بسيار باريکي که براي رساندن اکسيژن و در اکسيد کربن به کار مي‌روند به سلول‌هاي گياه انتقال پيدا مي‌کنند. نانولوله‌ها با استفاده از اين روش به درون سلول‌ها منتقل و افزايش بازدهي 30 درصدي را در سلول‌ها موجب مي‌شدند.
فتوسنتز فرايندي دو مرحله‌اي است که در مرحله‌ي اول، رنگدانه‌هاي سبز رنگ کلروفيل نور را جذب مي‌کنند و در نتيجه‌ي آن الکترون‌هاي تهييج شده در غشاي کلروپلاست جريان مي‌يابند. اين انرژي الکتريکي سپس براي ايجاد مرحله‌ي دوم که ساخت قند است به کار مي‌رود. به گفته‌ي پژوهشگران نحوه‌ي عملکرد نانولوله‌هاي کربني در بهبود بازدهي گياه در توليد قند يا انتقال بهتر الکترون‌ها هنوز نامشخص است.
همچنين محققان MIT از اين گياه براي سنجش وضعيت محيطي به عنوان يک حسگر شيميايي استفاده کرده‌اند. پژوهشگران MIT پيش از اين از نانولوله‌هاي کربني به عنوان حسگري براي مواد شيميايي همچون هيدروژن پراکسايد وTNT استفاده کرده بودند. در اين روش نانولوله‌هاي کربني که توسط پليمرها پوشيده شده بودند به مولکول مورد نظر پاسخ مي‌دادند.
پژوهشگران تصميم گرفتند مشابه پروژه‌ي (PLEASED) از گياهان به عنوان حسگرهاي محيطي که به چند مؤلفه دما، حضور مواد شيميايي، باران‌هاي اسيدي و رطوبت پاسخ مي‌دهند استفاده کنند. گياهان براي چنين کاربردي، بسترهاي بسيار مناسبي هستند؛ چرا که مي‌توانند به راحتي در شرايط سخت دوام بياورند و نيازي به منبع انرژي جداگانه ندارند؛ ضمن اينکه تمامي مواد مورد نياز خود را به صورت تمام خودکار فراهم مي‌آورند.
منبع : زوميت