Mit dem Fortschritt der Elektrifizierung schaffen Forscher Stromkreise in lebenden Pflanzen

Sprechen Sie über Flower Power. Forscher haben flexible elektronische Schaltkreise in einer Rose hergestellt. Letztendlich können solche Schaltkreise den Bauern helfen, ihre Ernten zu belauschen und sogar zu kontrollieren, wann sie reifen. Der Fortschritt könnte es den Menschen sogar ermöglichen, die Energie von Bäumen und Sträuchern zu nutzen, indem sie sie nicht fällen und als Brennstoff verwenden, sondern direkt an ihre Photosynthesemaschinerie anschließen.

Flexible Elektronik besteht aus biegsamen organischen Materialien. Das macht sie potenziell gewebeverträglich und hat die Forschungsanstrengungen zur Diagnose und Behandlung von Krankheiten vorangetrieben. „Im Bereich der medizinischen Anwendungen boomt die organische Elektronik“, sagt Magnus Berggren, Materialwissenschaftler und Elektrotechniker an der schwedischen Universität Linköping in Norrköping und führend bei der Entwicklung solcher medizinischer Anwendungen.

Vor ungefähr 15 Jahren fragte einer der pflanzenbiologischen Kollegen von Berggren, ob es möglich sei, Elektronik in Bäume zu stecken, um die dort ablaufenden biochemischen Prozesse zu belauschen. Wenn ja, könnten sie vielleicht zum Beispiel genau steuern, wann ein Baum blüht. "Wir dachten, es war ein Witz", sagt Berggren. Immerhin, so stellt er fest, haben Biologen stetige Fortschritte in der Gentechnik gemacht, um unzählige biochemische Funktionen in Pflanzen zu kontrollieren. Gentechnisch veränderte Pflanzen haben es jedoch viel schwerer als in den USA, in Schweden zur Freisetzung zugelassen zu werden. „Wir hatten das Gefühl, dass diese Technologien hier niemals in die Wälder und Felder gelangen würden“, sagt Berggren. Vor ein paar Jahren haben er und seine Kollegen beschlossen, elektronischen Anlagen einen zweiten Blick zu geben.

Ihre Idee war es, die pflanzeneigene Architektur und Biologie zu nutzen, um Geräte im Inneren zusammenzubauen. Zu diesem Zweck wollten sie im Inneren des Xylems einer Pflanze „Drähte“ auf Polymerbasis anbringen, den röhrenförmigen Kanal, der Wasser vom Stängel einer Pflanze zu den Blättern transportiert. Sie dachten, wenn sie leitende Polymerbausteine ​​in Wasser auflösen könnten, könnten Pflanzen sie vielleicht die Kanäle hochziehen und sie zu Drähten verbinden.

Berggren und seine Kollegen versuchten mehr als ein Dutzend verschiedener elektronischer Polymerbausteine. Sie lösten sie in Wasser auf und legten dann Rosen - entweder mit intakten Wurzeln oder geschnitten am Stiel - in das Wasser, um zu sehen, ob die organischen Substanzen nach oben getrieben würden. Alle Bausteine ​​verstopften entweder die Basis des Stiels oder bauten sich nicht zu Drähten zusammen.

Schließlich haben sie einen organischen elektronischen Baustein namens PEDOT-S: H ausprobiert. Jeder dieser Bausteine ​​besteht aus einer kurzen, sich wiederholenden Kette eines leitenden organischen Moleküls, wobei von jedem Kettenglied kurze Arme ausgehen. Jeder der Arme trägt eine schwefelhaltige Gruppe, die an ein Wasserstoffatom gebunden ist. Berggrens Gruppe stellte fest, dass die Rosenstängel, wenn sie ins Wasser gestellt wurden, die kurzen Polymerketten leicht die Xylemkanäle hochzogen. Die intakten Pflanzen zogen die organischen Substanzen auch durch die Wurzeln, wenn auch viel langsamer, sagt Berggren. Einmal drinnen, zog die Chemie in diesen Kanälen die Wasserstoffatome von den kurzen Armen, eine Änderung, die die Schwefelgruppen an benachbarten Ketten veranlasste, sich zusammenzubinden. Das Ergebnis war, dass sich die unzähligen kurzen Polymerketten schnell zu durchgehenden Ketten von bis zu 10 Zentimetern Länge zusammenschlossen. Die Forscher fügten dann elektronische Sonden an den gegenüberliegenden Enden dieser Saiten hinzu und stellten fest, dass es sich tatsächlich um Drähte handelte, die die gesamte Leitung elektrisch leiteten.

Sobald das geklappt hatte, fügte Berggrens Team weitere elektronische Patches auf der Oberfläche ihrer Rosenstiele hinzu, um Transistoren zu schaffen, mit denen der Strom in einem Draht ein- und ausgeschaltet werden konnte. Wie sie heute in Science Advances berichteten, verwendeten sie eine Reihe verschiedener Techniken, um zu zeigen, dass sie Blätter für die Aufnahme organischer Elektronik erhalten und im Wesentlichen eine Reihe von Pixeln erzeugen können. Durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen an die Pixel können sie ihre Farben ändern, um ein lebendiges Display zu schaffen.

"Es klingt wirklich cool", sagt Zhenan Bao, ein Experte für organische Elektronik an der Stanford University in Palo Alto, Kalifornien. Obwohl nach einem kurzen Durchlesen der Zeitung, sagt Bao, sie sei sich nicht sicher, was die Anwendung sein würde.

Berggren sagt, dass auch er gerade anfängt, das zu klären. Eine Möglichkeit, sagt er, ist die Einbettung elektronischer Sensoren in einige Pflanzen auf einem Feld, um festzustellen, wann sie beginnen, Hormone freizusetzen, die den Blüteprozess oder andere Veränderungen in der Pflanze auslösen. Dies könnte es den Landwirten ermöglichen, Bewässerungs- und Düngemittelanwendungen zu beschleunigen, um die Pflanzen zu unterstützen. Mit der Zeit, fügt er hinzu, könnte es sogar möglich sein, Pflanzenelektronik zu verwenden, um das Einsetzen der Blüte zu beschleunigen oder zu verzögern, um sie vor rauem Wetter zu schützen. Schließlich, sagt er, könnte es in ferner Zukunft möglich sein, die Photosynthesefähigkeiten von Pflanzen zu nutzen, um Elektrizität direkt zu erzeugen, so dass wir die Kraft der Sonne ernten können, ohne die Pflanzen zu zerstören.