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Bionik in Rosen: Pflanzen könnten bald elektronisch steuerbar werden

Was Cyborgs sind, wissen Filmkenner aus „Terminator“: Mischwesen aus lebendigem Organismus und Maschine. Im Gegensatz zu den Killerrobotern von der Leinwand sind bionische Pflanzen aber ungefährlich – und real. Einer schwedischen Forschergruppe an der Universität von Linköping ist es jetzt gelungen, elektronische Bauteile in eine Rose zu integrieren. In zwei Experimenten brachten die Wissenschaftler einerseits die Blätter der Pflanze zum Leuchten und verwandelten andererseits den Stängel in eine einfache Digitalschaltung.

Um letzteres zu erreichen, tauchten sie das Ende einer abgeschnittenen Rose in eine Lösung mit PEDOT. Dieses elektrisch leitfähige Polymer wird normalerweise für gedruckte Elektronik verwendet. Über mehrere Tage zog das Rosen-Adersystem – mit Fachnamen Xylem genannt – mittels Kapillarkraft die PEDOT-Lösung in die Pflanze, wo die Flüssigkeit sich in ein leitfähiges Gel verwandelte. Auf diese Weise entstanden kabelartige Verbindungen von bis zu zehn Zentimetern Länge. Indem die Wissenschaftler PEDOT-überzogene Gold-Elektroden daran anschlossen und Strom einleiteten, schufen sie einen Transistor, der über die gleichen Fähigkeiten wie konventionell gedruckte PEDOT-Schaltkreise verfügt. „Die Leistung und die Form der entstandenen Kabelverbindungen war phantastisch und unglaublich“, freut sich der Leiter der Forschungsgruppe, Magnus Berggren.

red

Leitfähigkeit ist das Ergebnis jahrelanger Forschung

Zwischenetappe auf dem Weg zur praktischen Nutzung

Allerdings war der Weg zum Erfolg langwierig. So erwiesen sich einige der zuvor benutzten leitfähigen Lösungen als giftig für die Pflanze. Andere verstopften die Xylem-Öffnung oder blieben nicht an der Innenseite des Adersystems haften. Insgesamt gingen der bionischen Pflanze zwei Jahrzehnte Forschung voraus.

Dabei ist das Erzielte nur eine Zwischenetappe auf dem Weg zur praktischen Nutzung der Erfindung. Die Forschergruppe arbeitet jetzt gemeinsam mit Biologen an der Entwicklung einer Technik, mit der sich die physikalischen und biochemischen Vorgänge in Pflanzen überwachen und studieren lassen. Nutzpflanzen wie Getreide könnten dann künftig wie von selbst darüber Auskunft geben, ob mit ihrer Entwicklung alles in Ordnung ist. Durch die eingebetteten elektronischen Schaltkreise wäre es zudem möglich, ohne Manipulation der DNS korrigierend einzugreifen und das Wachstum zu beschleunigen. So bekäme beispielsweise die Papierindustrie mehr Kontrolle über ihren Rohstoff.

Ideen für erneuerbare Bioelektronik

Zuckerarten werden in Elektrizität umgewandelt

Obwohl der Versuch bisher nur an abgeschnittenen und damit toten Rosen geglückt ist, liefert er trotzdem gute Anstöße für weitere Forschung. Denn wo sonst in elektronischen Schaltungen erdölbasierte Plastikbauteile und Metalle der Seltenen Erden verwendet werden, sind die Xylem-Leitungen ein Schritt in Richtung erneuerbare Bioelektronik. Auch ein zweites Experiment lieferte Grundlagen für die Entwicklung umweltverträglicher Techniken. Dabei legten die schwedischen Forscher die Blätter lebendiger Rosen in eine PEDOT-Lösung, die Nanofasern enthielt. Durch das Erzeugen eines Vakuums mittels einer Druckkammer entzogen sie dem Blattgewebe Luft, damit die PEDOT-Lösung in die so entstandenen Lücken strömen konnte. Nach Anlegen einer Spannung leuchtete das bionisch veränderte Blatt in Blau- und Grün-Tönen. Das funktionierte auch Monate später noch, denn die Pflanzen hatten ihre Blätter durch die Behandlung nicht verloren.

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Ziel der Wissenschaftler war es allerdings nicht, eine leuchtende Spielerei für das Fensterbrett zu schaffen. Die Forschergruppe untersucht momentan, ob sich das Verfahren nutzen lässt, um Pflanzen zu lebendigen Brennstoffzellen zu machen. Dabei würden einige der in den Blättern enthaltenen Zuckerarten in Elektrizität umgewandelt, was bisher nur bei Einzellern geglückt ist. „Wir nennen es Flower Power“, sagt Berggren.

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Ein ähnliches Experiment mit Nutzungspotenzial führte auch Michael Strano am MIT durch. Er bestückte die Chloroplasten von Spinat mit Kohlenstoff-Nanoröhren, die der Pflanze den Zugang zu bisher nicht verwertbaren Wellenlängen des Lichts erschlossen und damit ihre Fotosynthese verbesserten. Gelingt es den Forschern, all diese Techniken zu kombinieren, könnten Pflanzen zu kleinen Kraftwerken werden. Mit ihrer Fotosynthese würden sie dann nicht nur sich selbst, sondern auch uns versorgen – und Strom würde tatsächlich grün.

Cover-Foto & Bild 1: Linköping University
Gif: Giphy – Science Advances

Bild 2: Science Advances – Magnuns Berggren
Bild 3: MIT news – Bryce Vickmark

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