Le piante cyborg e la rosa elettronica. «Ora possiamo davvero parlare di “power plants”»

Si potrà utilizzare l'energia della clorofilla, costruire antenne verdi e produrre nuovi materiali?

[23 Novembre 2015]

Nello studio “Electronic plants”, pubblicato su Science Advances, un team di ricercatori del Laboratory of Organic Electronics,  del dipartimento di scienza e tecnologia dell’università svedese di Linköping (LiU) spiega che  «Le radici, gli steli, le foglie e i circuiti vascolare delle piante superiori sono responsabile della trasmissione dei segnali chimici che ne regolano la crescita e funzioni. Da un certo punto di vista, queste caratteristiche sono analoghe ai contatti, alle interconnessioni, ai dispositivi e ai cavi dei circuiti elettronici discreti ed integrati. Anche se sono stati fatti molti tentativi per aumentare la funzione della pianta con materiali elettroattivi, il “circuito” delle piante non è mai stato direttamente fuso con l’elettronica».  I ricercatori svedesi hanno fatto proprio questo: hanno unito «circuiti elettronici organici analogici e digitali e dispositivi fabbricati nelle piante vive» e riassumono così il loro lavoro: «I quattro componenti fondamentali di un circuito sono stati ottenuti utilizzando lo xilema, le foglie, le vene e i segnali della pianta come modello e parte integrante degli elementi e delle funzioni dei circuiti. Con elettronica integrata e distribuita nelle piante, si può prevedere un vasto range di applicazioni, incluso il precision recording e la regolazione della fisiologia, la raccolta di energia dalla fotosintesi  e alternative alla modificazione genetica per l’ottimizzazione della pianta».

Grazie alla vascolarizzazone che distribuisce l’acqua e le sostanze nutritive nelle piante, il gruppo di ricerca guidato da Berggren Magnus ha costruito i componenti chiave di circuiti elettronici, dimostrando che le rose possono produrre sia i circuiti elettronici analogici che quelli digitali. Insomma, hanno realizzato quelle che sono già state chiamate le prime piante cyborg

Un comunicato dell’università svedese spiega ancora: «nell’elettronica tradizionale si inviano ed elaborano i segnali elettronici, mentre le piante trasportano e gestiscono ioni e ormoni della crescita. Nell’elettronica organica, a base di polimeri semi-conduttori, sia gli ioni e gli elettroni possono servire come vettori di segnale. Con l’aiuto dell’elettronica organica diventa quindi possibile combinare segnali elettrici con le proprietà della pianta, come se si traslassero i segnali della pianta nell’elettronica tradizionale. Con l’economica elettronica organica integrata nell piante, si apre una vasta serie di possibilità: come utilizzare l’energia dalla fotosintesi in una cella a combustibile, o la lettura e la regolazione della crescita e di altre funzioni interne delle piante».

Uno degli autori dello studio, Ove Nilsson, che insegna biologia riproduttiva delle piante all’Umeå Plant Science Center,  sottolinea: «Prima non avevamo buoni strumenti per la misurazione della concentrazione delle varie molecole nelle piante viventi. Ora possiamo essere in grado di influenzare la concentrazione delle varie sostanze che regolano la crescita e lo sviluppo nella pianta. Qui, vedo grandi possibilità di saperne di più»,

Dall’inizio degli anni ’90 Berggren, che insegna elettronica organica alla LiU,  svolge ricerche sullo stampaggio di elettronica su carta, ma in questo periodo ha pensato spesso all’idea di inserire l’elettronica direttamente in un albero, non trovando però l’interesse tra i finanziatori della sua ricerca.  La svolta è avvenuta nel 2012 quando, grazie al contributo della  Knut and Alice Wallenberg Foundation, Berggren ha potuto assumere tre ricercatori: Roger Gabrielsson, Eleni Stavrinidou ed Eliot Gomez ai quali ha affidato il compito di  capire  se sia possibile introdurre e persino produrre elettronica nelle piante. Alla fine la risposta è stata si: in soli due anni, il team di ricerca è riuscito a ottenere piante in grado di produrre sia circuiti analogici che digitali.

Gabrielsson ha scoperto il polimero PEDOT-S, che si è rivelato essere solubile in acqua. Per s esempio, e – forma un film sottile lungo il canale attraverso il quale il fiore assorbe l’acqua e le sostanze nutritive.  La Stavrinidou è poi riuscita ad ottenere che le piante producessero segmenti di dieci centimetri e poi  membrane o pellicole del polimero conduttivo. Con un elettrodo ad ogni estremità e un gate in mezzo, è stato realizzato un transistor analogico. La Stavrinidou avidenzia: «Abbiamo prodotto i valori di misurazione perfetti, che dimostrano che è davvero un transistor completamente funzionale». La capacità conduttiva del polimero va da 0,13 Siemens/cm fino a 1 Siemens/cm.

Gomez ha utilizzato un altro metodo comune nella biologia vegetale: la vacuum infiltration – infiltrazione vuoto – per inserire un’altra variante PEDOT insieme a fibre nanocellulose tra il fogliame della rosa. «La cellulosa forma una struttura 3-D con piccole cavità, come una spugna, dentro la foglia di rosa, e le cavità vengono riempite con il polimero conduttivo – spiegano alla LiU – . Le celle elettrochimiche vengono quindi costituite con un numero di pixel e ripartite dalle vene. Gli elettroliti provengono dal fluido nella foglia. Questo significa che, in qualche modo, le funzioni della  foglia funzionano come il display di un carattere stampato su un rotolo che viene prodotto alla Acreo Swedish ICT a Norrköping».  Gomez evidenzia: «Possiamo creare piante elettrocromatiche nelle quali le foglie cambiano colore: è cool, ma forse non è così utile».

Ma in compenso uno dei punti deboli dell’elettronica organica: il freddo e la pioggia, viene superato dalle piante cyborg quando incapsulano il polimero e lo proteggono dal vento e dalle intemperie. «Sembra come se i polimeri che utilizziamo fossero stati creati per questa funzione», dice Gabrielsson.

Nonostante le difficoltà non manchino, Berggren vede nelle piante cyborg create dal suo team un nuovo campo di ricerca: «Ora possiamo davvero cominciare a parlare di “power plants”: possiamo mettere sensori nelle piante ed utilizzare l’energia formata nella clorofilla, costruire antenne verdi o produrre nuovi materiali. Tutto avviene naturalmente ed utilizzando i sistemi unici e molto avanzati delle piante. Per quanto ne sappiamo, non ci sono i risultati di ricerche pubblicati in precedenza per quanto riguarda l’elettronica prodotta nelle piante. Nessuno lo ha mai fatto prima».