ساخت مدارهای الکترونیکی در دل گیاهان

گیاهان موجودات پیچیده‌ای هستند که ساختار اصلی آنها بر انتقال سیگنال‌های یونی و هورمون‌ها برای انجام واکنش‌های اصلی در ساختمان موجودات زنده استوار است. با این وجود، گیاهان در مقیاس زمانی خیلی کندتری کار می‌کنند و بنابراین مطالعه‌ی گیاهان کار نسبتا دشواری است. افزودن سازه‌های الکترونیکی به گیاهان احتمالا باعث ترکیب سیگنال‌های الکتریکی با فرآیند‌های شیمیایی خود گیاه می‌شود.

مقاله‌ی اصلی منتشر شده در مجله‌ی ساینس ادونسس (Science Advances) جزییات مربوط به سیم‌ها، منطق دیجیتالی (digital logic) و حتی تصاویر قطعات استفاده شده را هم در خود دارد. این قطعات درون گیاهان کار گذاشته شده‌اند و می‌توانند کابردهای جدیدی از الکترونیک گیاهی و ابزارهای جدید در علم گیاه‌شناسی را به نمایش بگذارند.

کنترل کردن و ایجاد برهم‌کنش روی واکنش‌های شیمیایی به کار رفته در گیاهان می‌تواند باعث هموارتر شدن مسیر دانشمندان در ساخت سلول‌های سوختی مبتنی بر فتوسنتز، حسگرها و تنظیم‌کننده‌های رویش گیاه و دستگاه‌های تنظیم کارکرد‌های درون گیاهان شود. اووه نیلسون (Ove Nilsson) یکی از نویسندگان مقاله‌ی اصلی و همچنین سرپرست مرکز علمی اومیا (Umea) و پروفسور زیست‌شناسی در زمینه‌ی تولید مثل گیاهان در این باره می‌گوید:

پیش از این، ما برای اندازه‌گیری میزان تمرکز مولکول‌های گوناگون در گیاهان زنده ابزار کارامدی نداشتیم. اما از این پس می‌توانیم تمرکز مواد گوناگون در گیاهان را تغییر داده و رویش گیاهان و گسترش آنها را تنظیم کنیم. در این زمینه هنوز نکات بسیاری را باید یاد بگیریم.

ایده‌ی کار گذاشتن قطعات الکترونیکی به طور مستقیم در درختان برای اولین بار در دهه‌ی ۱۹۹۰ و در صنعت کاغذ به کار برده شد که آن زمان گروه LEO در دانشگاه لینکوپینگ درباره‌ی مدارهای چاپی (printed electronics) روی کاغذ پژوهش می‌کردند. تلاش‌های اولیه برای کاربرد قطعات الکترونیکی در گیاهان توسط استادیار دانیل سیمون (Daniel Simon) سرپرست گروه بیوالکترونیک LEO و پروفسور خاویر کریسپین (Xavier Crispin) سرپرست گروه الکترونیک حالت جامد LEO انجام شد ولی به علت تامین نشدن بودجه از سوی سرمایه‌گذارهای اولیه این پروژه‌ها متوقف شدند.

با تامین کمک مالی از طرف بنیاد نات و آلیس والنبرگ (Wallenberg) در سال ۲۰۱۲ پروفسور برگرن توانست گروهی از پژوهشگران را جمع کرده و پروژه‌ی اولیه را دوباره شروع کنند. گروه برای کار گذاشتن پلیمرهای رسانا درون ریشه‌های گیاه گل رز تلاش می‌کرد و در این میان فقط یک پلیمر به نام PEDOT-S که توسط دکتر راجر گابریلسون (Roger Gabrielsson) ساخته شده بود توانست درون کانال‌های بافت‌ چوبی به عنوان یک رسانا به خوبی خودش را سازگار کند و در عین رسانا بودن قابلیت انتقال آب و مواد غذایی را هم داشته باشد. دکتر النی استاوریندیو (Eleni Stavrinidou) توانست با استفاده از این پلیمر سیم‌های بلند (به اندازه‌ی ۱۰ سانتی‌متر) درون کانال‌های بافت‌های چوبی رز بسازد.

با ترکیب این سیم‌ها با الکترولیت‌های حول این کانال‌ها او موفق به ساختن یک ترانزیستور الکتروشیمیایی شد که این ترانزیستور سیگنال‌های یونی را به خروجی‌های الکتریکی تبدیل می‌کند. اون همچنین تابع دروازه منطقی دیجیتال را هم در این ترانزیستورها به خوبی نشان داده است.

دکتر الیوت گومز (Eliot Gomez) از روش‌های مرسوم در زیست‌شناسی گیاهی همانند نفوذ لوله با استفاده از ایجاد خلا، برای جای دادن گونه‌ی دیگری از پولیمر PEDOT درون برگ‌ها بهره برد. پلیمر قرار گرفته درون برگ‌ها در واقع پیکسل‌های سلول‌های الکتروشیمیایی را تشکیل می‌دهند که این سلول‌ها توسط رگ‌برگ‌ها بخش‌بندی شده‌اند. اعمال ولتاژ باعث می‌شود که این پلیمر با یون‌های برگ واکنش داشته باشد و این کار در ادامه منجر به تغییر رنگ PEDOT در یک صفحه شبیه صفحه‌ی  یک دستگاه نمایشگر می‌شود. این نمایشگر شبیه نمایشگرهای انعطاف‌پذیری است که شرکت سوئدی آکرئو (Acreo Swedish ICT) در نورکوپینگ ساخته است.

این نتایج در واقع گام‌های اولیه برای پیدایش زمینه‌های گوناگون در الکترونیک گیاهی و همچنین علوم گیاهی هستند. هدف اصلی دانشمندان این است که کاربردهای گیاهان در زمینه‌ی انرژی، حفظ محیط زیست و روش‌های جدید کاربرد گیاهان را گسترش و بهبود بخشند. پروفسور برگرن پتانسیل این بخش پژوهشی بسیار جدید را اینچنین توصیف می‌کند:

تا جایی که می‌دانیم پیش از این هیچ گروهی در مورد کاشت قطعات الکترونیکی درون گیاهان مقاله‌ای منتشر نکرده است. اکنون می‌توانیم به طور واقعی در مورد نیروگاه‌های گیاهی فکر کنیم. ما می‌توانیم حسگرهایی را درون گیاهان کار گذاشته و از انرژی کلروفیل بهره‌مند شده و شاخک‌های سبز یا مواد جدید بسازیم. همه‌چیز به طور طبیعی اتفاق می‌افتد و ما گیاهانی که سیستم پیشرفته و نادر دارند را برای این کار به کار خواهیم برد.