De nanobuisje doorboren de membranen rond de bladgroenkorrels (afb: Nature)
Door planten vol te stoppen met nanobuisjes schijnt de energieopbrengst van de fotosynthese van een plant verdrievoudigd te kunnen worden, zo hebben onderzoekers rond Michael Strano van het MIT in Boston ontdekt. Dat komt doordat die minuscule koolstofbuisjes het voor de plant bruikbare deel van het lichtspectrum flink vergroten. Zelfs de in energetisch opzicht productiefste planten gebruiken maar 10% van het ontvangen zonlicht. Dan zou met de koolstofbuisjes in de chloroplasten, de energiefabriekjes van planten, op 30% komen. Nu nog een manier vinden om daar gebruik van te maken. Overigens zijn ze bij het MIT bezig ook andere mogelijkheden van planten uit te buiten, als detectoren of onderdeel van elektronische systemen. Dat heet dan meteen: de bionische plant.
Strano: “Vanuit technologisch oogpunt zijn planten erg aantrekkelijk. Ze herstellen zichzelf, ze zijn ecologisch stabiel, ze overleven in rauwe omstandigheden en ze voorzien in hun eigen energie- en waterbehoefte.” Strano en hoofdauteur van het artikel in Nature Materials Juan Pablo Giraldo willen planten omvormen in zelfvoorzienende, fotonische systemen voor een groot aantal toepassingen. Ze denken daarbij aan detectoren van springstoffen of chemicaliën of aan elektronische systemen. Volgens Strano zijn de mogelijkheden bijna onbegrensd.
Die ideeën zijn voortgesproten uit een project om zelfreparerende zonnecellen te bouwen. Eigenlijk bestaan die al lang: planten, algen en sommige bacteriën. De energieopbrengst is voor planten prima, maar de mens stelt hogere eisen. Dus gingen de onderzoekers op zoek naar een manier om die opbrengst te vergroten.
De energieomzetting (fotosynthese) in planten vindt plaats in de chloroplasten (bladgroenkorrels). De onderzoekers wilden van die bladgroenkorrels zonnecellen maken. In de plant wordt zonlicht in pigmenten als chlorofyl omgezet in elektronen, die op hun beurt weer gebruikt worden om kooldioxide en water om te zetten in koolwaterstoffen. De fotosynthese, dus.
Buiten de plant doen bladgroenkorrels nog steeds dat werk, maar na een paar uur is het gedaan, doordat licht en zuurstof de fotosynthese-eiwitten afbreken. In de plant wordt die schade hersteld, maar in losse bladgroenkorrels gebeurt dat niet.
Om die schade te beperken werden de korrels ingebed in een sterke antioxidant: ceriumoxide. Om die nanodeeltjes van ceriumoxide (‘nanoceria’) in de bladgroenkorrels te krijgen, werden die ingepakt in polyacrylzuur, dat er voor zorgt dat de ceriumoxidedeeltjes door de vette, waterafstotende membranen rond de bladgroenkorrels kunnen dringen. De schade door zuurstof daalde aanzienlijk.
Met dezelfde truc werden ook halfgeleidernanobuisjes van koolstof, bedekt met negatief geladen DNA, in de bladgroenkorrels gesmokkeld. Die buisjes fungeerden als een soort antenne, waardoor de chloroplasten ook van lichtgolven gebruik kunnen maken die ze normaal niet gebruiken: ultraviolet, groen en het nabije infrarood. Met de buisjes was de elektronenstroom in de geïsoleerde bladgroenkorrels door de membranen heen 49% groter dan zonder. Met nanoceria en de nanobuisjes, bleven de bladgroenkorrels een paar uur langer actief. Leuk, maar niet erg praktisch voor een zelfreparerende zonnecel.
Dan maar in de plant, dachten de onderzoekers, en met behulp van wat met een moeilijk woord vasculaire infusie wordt genoemd (in feite werden de stoffen via de huidmondjes onder het blad ingespoten), werden de nanobuisjes de plant in gebracht. Bij het experiment was dat de kleine bloeiende plant zandraket (Arabidopsis thaliana). Ze gebruikten daarvoor dus de kleine poriën aan de onderkant van het blad, waarmee normaal gesproken het kooldioxide uit de lucht wordt opgenomen en waar het zuurstof de plant verlaat als afvalproduct.
Nou moest natuurlijk nog worden uitgevonden hoe die buisjes de koolwaterstofproductie van de planten beïnvloeden. Giraldo: “Daar zijn we nog steeds mee bezig.” Een beetje voortmaken, alsjeblieft. We sukkelen al veel te lang met die zonnecellen en zelfreparerende zonnecellen die maar enkele uren werken zijn waardeloos.
De zandraket bleek met nanobuisjes ook te gebruiken als detector van stikstofmonoxide (NO). Strano had eerder koolstofbuisjes ontwikkeld voor de detectie van verschillende stoffen, zoals waterstofperoxide, TNT en het zenuwgas sarin. “We zouden de nanobuisjes zo kunnen veranderen dat ze direct zelfs maar een enkel deeltje meten, zoals vrije radicalen of signaalmoleculen die in heel lage concentraties voorkomen”, zegt Giraldo. De onderzoekers hopen zo sensoren voor tal van kwalijke stoffen te ontwikkelen, zoals bestrijdingsmiddelen of bacteriële vergiften. De onderzoekers zijn ook bezig met de ‘elektronisering’ van planten met behulp van grafeen. “Er werken nu nog maar heel weinig mensen aan dit soort ontwikkelingen, die grote mogelijkheden hebben.” Aan het werk, zou ik zeggen. Op naar de zelfreparerende zonnecel.