گیاهان؛ اولین نانوتکنولوژیستهای طبیعت

منتشر شده در پنج شنبه, 15 اسفند 1398 20:22

گیاهان اولین نانوتکنولوژیست‌های طبیعت هستند و سرشارند از «فناوری‌های نانو» که آنها را قادر به انجام کارهای شگفت‌انگیزی می‌کند. با مطالعه این سیستم‌ها، می‌توانیم از آنها در ایجاد فناوری‌های جدید الگو بگیریم.

گل‌ها یک سیگنال مخفی دارند که مخصوص زنبورها طراحی شده است تا آنها بدانند کجا شهد گل را جمع‌آوری کنند. تحقیق جدید نشان می‌دهد که چگونه این سیگنال کار می‌کند. الگوهای نانو بر روی گلبرگ‌ها نور را به طریقی منعکس می‌کنند که "هاله آبی‌رنگ (blue halo)" را در اطراف گل ایجاد می‌کند. این هاله آبی رنگ به جذب زنبورها کمک و گرده افشانی را حمایت می‌کند.

بیشتر گل‌ها رنگی هستند زیرا دارای رنگدانه‌های جذب‌کننده نورند که فقط طول موج‌های مشخصی از نور را منعکس می‌کنند. اما بعضی از گل‌ها از رنگین‌کمان استفاده می‌کنند و رنگ به رنگ می‌شوند، نوعی از رنگ‌آمیزی که زمانی تولید می‌شود که نور از سطوح یا ساختارهایی که فاصله میکروسکوپی دارند، منعکس می‌شود. تغییر رنگ‌ها بر روی یک سی‌دی، نمونه‌ای از رنگین‌کمان است. این تغییر رنگ ناشی از برهم‌کنش بین طول‌موج‌های نور است که از دندانه‌های میکروسکوپی روی سطح سی‌دی که با فاصله اندک قرار دارند، منعکس می‌گردد در این صورت برخی رنگ‌ها به هزینه رنگ‌های دیگر تشدید می‌شوند. همانطور که زاویه دید شما تغییر می‌کند، رنگ‌های تقویت شده نیز تغییر و تصویر رنگ به رنگی را حاصل می‌کنند. بسیاری از گل‌ها جهت تولید رنگین‌کمان به همان شیوۀ سی‌دی، از شیارهایی در مومِ پوشانندۀ سطح گل استفاده می‌کنند که بین یک تا دو هزارم میلی‌متر از هم فاصله دارند.

محققانی که درحال بررسی راهی برای استفاده برخی گل‌ها از رنگین‌کمان جهت جلب زنبورها برای گرده‌افشانی بودند، متوجه چیز عجیبی شدند. فاصله و تراز شیارها به همان اندازه مورد انتظار نبود یعنی شیارها در فواصل کاملا یکسان و به صورت کاملا تراز قرار نداشتند. بدین معنا که این الگوها به جای ایجاد یک رنگین کمان عادی به همان صورتی که یک سی‌دی ایجاد می‌کند، برای نور آبی، بنفش و فرابنفش بسیار بهتر از رنگ‌های دیگر کار می‌کنند و آنچه را که محققان "هاله آبی" نامیدند، ایجاد می‌کنند.

موم‌هایی که از گلبرگ و برگ همه گیاهان محافظت می‌کنند، آب را دفع می‌کنند. به این ویژگی "هیدروفوبیسیتی (hydrophobicity)" می‎گویند. اما در برخی از گیاهان مانند "لوتوس (lotus)"، این ویژگی به وسیله شکل خاص موم افزایش می‌یابد. موم طوری سطح برگ و گلبرگ را می‌پوشاند که آن اندام را به یک پاک‌کننده خودکار تبدیل می‌کند. موم در یک آرایش از ساختارهای مخروطی با حدود پنج هزارم میلی‌متر ارتفاع مرتب شده است. وقتی آب روی این سطح فرود می‌آید، نمی‌تواند اصلا به آن بچسبد و به همین دلیل قطره‌های کروی را شکل می‌دهد که روی برگ می‌غلتد و ‌کثیفی را در امتداد راه برمی‌دارند تا از لبه بیرون بیفتد. این عمل "سوپر هیدروفوبیسیتی (superhydrophobicity)" یا "اثر لوتوس (lotus effect)" نامیده می‌شود.

درون گیاهان نوع دیگری از نانوساختارها وجود دارد. وقتی‌که گیاهان آب را از ریشه به سلول‌ها جذب می‌کنند، فشاری در داخل سلول‌ها ایجاد می‌شود شبیه فشاری که در ۵۰ تا ۱۰۰ متری زیر دریا ایجاد می‌شود. به منظور محدود نگه داشتن این فشار، سلول‌ها توسط یک دیواره احاطه می‌شوند این دیواره حاوی غلاف‌هایی از زنجیره‌های سلولز به نام "میکروفیبریل (microfibril)" است.

زنجیره‌های منفرد چندان قوی نیستند، اما هنگامی که به شکل میکرو‌فیبریل درمی‌آیند، به اندازه فولاد قوی می‌شوند. سپس میکروفیبریل‌ها در یک ماتریکس از قندهای دیگر جاسازی می‌شوند تا یک پلیمر هوشمند طبیعی ایجاد کنند، ماده ویژه‌ای که می‌تواند خواص خود را جهت رشد گیاه تغییر دهد.

انسان‌ها همیشه از سلولز به عنوان یک پلیمر طبیعی استفاده کرده‌اند مثلا در کاغذ یا پنبه. اما دانشمندان در حال حاضر در حال ایجاد فناوری‌های جدید با استفاده از میکروفیبریل‌ها هستند. "نانوسلولز (nanocellulose)" به علت قدرت و سبکی می‌تواند طیف گسترده‌ای از کاربردها را داشته باشد مثلا در تولید قطعات سبک‌تر خودرو، مکمل‌های غذایی کم کالری، داربست برای مهندسی بافت و شاید حتی دستگاه‌های الکترونیکی که می‌تواند به نازکی یک ورق کاغذ باشد.

شاید شگفت‌آورترین نانوساختار گیاهی، "سیستم‌های جمع‌کننده نور (light-harvesting systems)" باشند که انرژی نور را برای فتوسنتز جذب می‌کنند و آن را به جایگاه‌هایی که از آنها استفاده می‌شود، انتقال می‌دهند. گیاهان قادر به جابجایی این انرژی با کارایی باور نکردنی 90% هستند.

شواهدی وجود دارد مبنی بر اینکه آرایش دقیق اجزاء سیستم‌های جمع‌کننده نور به آنها اجازه می‌دهد که از فیزیک کوانتومی برای آزمودن روش‌های مختلف، جهت انتقال همزمان انرژی و یافتن کارآمدترین آنها استفاده کنند. فناوری کوانتومی می‌تواند به ارائه سلول‌های خورشیدی کارآمد‌تر کمک کند. بنابراین هنگام پرداختن به ایجاد نانوتکنولوژی جدید، به یاد داشته باشید که گیاهان زودتر از ما در این مسیر بوده‎‌اند.

ترجمه و تلخیص: سارا هجری

به سفارش مرکز جامع اطلاع رسانی زیست فناوری کشاورزی

کارگروه کشاورزی ستاد توسعه زیست فناوری

منبع

• نانوبیوتکنولوژی