L'épinard n'est plus seulement un super aliment :en incorporant des feuilles de nanotubes de carbone, Les ingénieurs du MIT ont transformé les plants d'épinards en capteurs capables de détecter les explosifs et de transmettre sans fil ces informations à un appareil portable similaire à un smartphone.

Il s'agit de l'une des premières démonstrations d'ingénierie de systèmes électroniques dans des usines, une approche que les chercheurs appellent « nanobionique végétale ».

"Le but de la nanobionique végétale est d'introduire des nanoparticules dans la plante pour lui donner des fonctions non natives, " dit Michael Strano, le professeur Carbon P. Dubbs de génie chimique au MIT et le chef de l'équipe de recherche.

Dans ce cas, les usines ont été conçues pour détecter des composés chimiques appelés nitroaromatiques, qui sont souvent utilisés dans les mines terrestres et autres explosifs. Lorsqu'un de ces produits chimiques est présent dans les eaux souterraines prélevées naturellement par la plante, des nanotubes de carbone incrustés dans les feuilles des plantes émettent un signal fluorescent qui peut être lu avec une caméra infrarouge. L'appareil photo peut être connecté à un petit ordinateur similaire à un smartphone, qui envoie ensuite un e-mail à l'utilisateur.

"Il s'agit d'une nouvelle démonstration de la façon dont nous avons surmonté la barrière de communication plante/humain, " dit Strano, qui pense que la puissance des centrales pourrait également être exploitée pour avertir des polluants et des conditions environnementales telles que la sécheresse.

Strano est l'auteur principal d'un article décrivant les plantes nanobioniques dans le numéro du 31 octobre de Matériaux naturels . L'auteur principal de l'article est Min Hao Wong, un étudiant diplômé du MIT qui a lancé une entreprise appelée Plantea pour développer davantage cette technologie.

Surveillance de l'environnement

Il y a deux ans, dans la première démonstration de nanobionique végétale, Strano et l'ancien postdoctorant du MIT Juan Pablo Giraldo ont utilisé des nanoparticules pour améliorer la capacité de photosynthèse des plantes et les transformer en capteurs d'oxyde nitrique, un polluant produit par combustion.

Les plantes sont parfaitement adaptées à la surveillance de l'environnement car elles captent déjà beaucoup d'informations de leur environnement, dit Strano.

« Les plantes sont de très bons chimistes analytiques, " dit-il. " Ils ont un réseau racinaire étendu dans le sol, échantillonnent constamment les eaux souterraines, et avoir un moyen d'auto-alimenter le transport de cette eau dans les feuilles. "

Le laboratoire de Strano a déjà développé des nanotubes de carbone qui peuvent être utilisés comme capteurs pour détecter une large gamme de molécules, y compris le peroxyde d'hydrogène, l'explosif TNT, et le gaz neurotoxique sarin. Lorsque la molécule cible se lie à un polymère enroulé autour du nanotube, il modifie la fluorescence du tube.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont intégré des capteurs de composés nitroaromatiques dans les feuilles des épinards. En utilisant une technique appelée perfusion vasculaire, qui consiste à appliquer une solution de nanoparticules sur la face inférieure de la feuille, ils ont placé les capteurs dans une couche de feuilles connue sous le nom de mésophylle, c'est là que se déroule la plupart des photosynthèses.

Ils ont également intégré des nanotubes de carbone qui émettent un signal fluorescent constant qui sert de référence. Cela permet aux chercheurs de comparer les deux signaux fluorescents, ce qui permet de déterminer plus facilement si le capteur d'explosif a détecté quelque chose. S'il y a des molécules explosives dans l'eau souterraine, il faut environ 10 minutes à la plante pour les attirer dans les feuilles, où ils rencontrent le détecteur.

Pour lire le signal, les chercheurs braquent un laser sur la feuille, incitant les nanotubes de la feuille à émettre une lumière fluorescente proche infrarouge. Cela peut être détecté avec une petite caméra infrarouge connectée à un Raspberry Pi, un ordinateur de la taille d'une carte de crédit de 35 $ semblable à l'ordinateur à l'intérieur d'un smartphone. Le signal peut également être détecté avec un smartphone en supprimant le filtre infrarouge de la plupart des téléphones avec appareil photo, disent les chercheurs.

"Cette configuration pourrait être remplacée par un téléphone portable et le bon type d'appareil photo, " dit Strano. " C'est juste le filtre infrarouge qui vous empêcherait d'utiliser votre téléphone portable. "

En utilisant cette configuration, les chercheurs peuvent capter un signal à environ 1 mètre de la plante, et ils travaillent maintenant à augmenter cette distance.

"Une mine d'informations"

Dans l'étude de 2014 sur la nanobionique végétale, Le laboratoire de Strano a travaillé avec une plante de laboratoire commune connue sous le nom d'Arabidopsis thaliana. Cependant, les chercheurs voulaient utiliser des plants d'épinards communs pour la dernière étude, démontrer la polyvalence de cette technique. "Vous pouvez appliquer ces techniques avec n'importe quelle plante vivante, " dit Strano.

Jusque là, les chercheurs ont également conçu des plantes d'épinards capables de détecter la dopamine, qui influence la croissance des racines des plantes, et ils travaillent maintenant sur des capteurs supplémentaires, y compris certains qui suivent les produits chimiques que les usines utilisent pour transmettre des informations dans leurs propres tissus.

« Les plantes sont très respectueuses de l'environnement, " dit Strano. " Ils savent qu'il va y avoir une sécheresse bien avant nous. Ils peuvent détecter de petits changements dans les propriétés du sol et du potentiel hydrique. Si nous puisons dans ces voies de signalisation chimiques, il y a une mine d'informations à laquelle accéder.

Ces capteurs pourraient également aider les botanistes à en savoir plus sur le fonctionnement interne des plantes, surveiller la santé des plantes, et maximiser le rendement en composés rares synthétisés par des plantes comme la pervenche de Madagascar, qui produit des médicaments utilisés pour traiter le cancer.

"Ces capteurs donnent des informations en temps réel à partir de l'usine. C'est presque comme si l'usine nous parlait de l'environnement dans lequel elle se trouve, " dit Wong. " Dans le cas de l'agriculture de précision, avoir de telles informations peut affecter directement le rendement et les marges."