در سال 2010 بود که پژوهشگران دانشگاه استنفورد گزارشی در خصوص استخراج انرژی به طور مستقیم از کلروپلاست منتشر کردند. کلروپلاست جایی است که در آن واکنش فتوسنتز گیاهان صورت می‌گیرد. هم اکنون با همراه کردن نانولوله‌های کربنی با این کلروپلاست‌ها، تیمی در دانشگاه MIT توانسته‌اند توانایی گیاهان را در استفاده از انرژی خورشید افزایش دهند. با انجام این دست پژوهش‌ها، روز‌به‌روز به ایده‌ی گیاهان بیونیک برای تولید انرژی بیشتر از طریق آن‌ها نزدیک تر می‌شویم. از چنین روش‌هایی می‌توان برای ساخت محیط‌های تحت نظارت به وسیله‌ی گیاهان نیز بهره برد. در ادامه با ما باشید تا با این فناوری نوین بیشتر آشنا شوید.
کلروپلاست‌ها واحدهای مجزایی هستند که تمامی اجزای لازم برای اجرای فرایند فتوسنتز را تماماً در خود دارند و می‌توانند با کمک آن‌ها انرژی نوری خورشید را به انرژی شیمیایی تبدیل کنند. این واحد‌ها با جدا‌شدن از گیاه اصلی، همچنان می‌توانند به فعالیت خود به صورت مستقل ادامه دهند؛ ولی پس از چند ساعت در اثر آسیب‌هایی که نور خورشید و اکسیژن به واحدهای پروتئینی آن‌ها می‌رسانند از کار می‌افتند. این آسیب‌ها در گیاهان بوسیله‌ی خود گیاهان ترمیم می‌شوند و کلروپلاست‌ها قادر به بازسازی این آسیب‌ها به تنهایی نیستند.
در تلاشی برای بهبود عملکرد این واحدهای تولید انرژی در فرایند فتوسنتز، تیمی از دانشگاه MIT به سرپرستی Michael Strano، پروفسور مهندسی شیمی، آن‌ها را با نانوذرات سریم اکساید همراه کرد تا بتوان از آن‌ها در سلول‌های خورشیدی بازدهی بالاتری را به دست آورد. این نانوذرات که با نام نانوسریا نیز شناخته می‌شوند، ضد اکسنده‌هایی بسیار قوی هستند؛ در نتیجه می‌توانند از واحدهای کلروپلاست در برابر آسیب‌های محیطی ایجاد شده توسط رادیکال‌های آزاد اکسیژن و مولکول‌های دیگر و البته نور خورشید محافظت کنند.
این نانوذرات با استفاده از روشی جدید به نام " LEEP " که توسط همین تیم توسعه داده شده بود در کلروپلاست‌ها قرار گرفتند. در این روش نانوذرات در ابتدا توسط پلی اکریلیک اسید پوشانده – wrapping- می‌شدند؛ پلی آکریلیک اسید مولکولی است با بار سطحی بسیار زیاد در نتیجه به نانوذرات این امکان را می‌داد که از غشای چربی آبگریز اطراف کلروپلاست به راحتی بگذرند. در نتیجه‌ی استفاده از این روش، پژوهشگران تونستند میزان آسیب وارده ناشی از مولکول‌های مضر را به حداقل برسانند.
با استفاده از همین روش LEEP، پژوهشگران در تلاشی دیگر سعی کردند که نانولوله‌های کربنی نیمه رسانا را که با استفاده از مولکول‌های DNA پوشانده شده بودند را به درون کلروپلاست وارد کنند. پژوهشگران امیدوار بودند که با این کار بتوانند گیاهان را وادار کنند که از نور خورشید بیش از حد معمولی که حدود 10 درصد است استفاده کنند و در نتیجه بازدهی عملکرد آن‌ها را افزایش دهند. نانولوله‌های کربنی در اینجا حکم آنتن‌هایی را بازی می‌کردند که می‌توانستند طول موج‌های مختلف نور را جذب کرده و آن‌ها را در اختیار سلول قرار دهند؛ طول موج‌هایی در محدوده‌ی فرابنفش، سبز یا نزدیک به فروسرخ.
با اندازه‌گیری جریان الکترون در غشای کلروپلاست، محققان توانستند بهبودی 49 درصدی را نسبت به کلروپلاست معمولی اندازه‌گیری کنند. کلروپلاست‌های شامل نانوسریا و نانولوله‌های کربنی، توانستند ساعت‌ها بیش از کلروپلاست‌های معمولی فعالیت کنند.
برای آزمودن این روش بر روی گیاهان زنده، آن‌ها از روشی به نام تزریق آوندی برای رساندن نانوذرات به گیاه استفاده کردند. در این روش محلولی از نانوذرات به بخش زیرین ساقه‌ی گیاه اعمال می‌شد و نانوذرات از طریق آوندهای بسیار باریکی که برای رساندن اکسیژن و در اکسید کربن به کار می‌روند به سلول‌های گیاه انتقال پیدا می‌کنند. نانولوله‌ها با استفاده از این روش به درون سلول‌ها منتقل و افزایش بازدهی 30 درصدی را در سلول‌ها موجب می‌شدند.
فتوسنتز فرایندی دو مرحله‌ای است که در مرحله‌ی اول، رنگدانه‌های سبز رنگ کلروفیل نور را جذب می‌کنند و در نتیجه‌ی آن الکترون‌های تهییج شده در غشای کلروپلاست جریان می‌یابند. این انرژی الکتریکی سپس برای ایجاد مرحله‌ی دوم که ساخت قند است به کار می‌رود. به گفته‌ی پژوهشگران نحوه‌ی عملکرد نانولوله‌های کربنی در بهبود بازدهی گیاه در تولید قند یا انتقال بهتر الکترون‌ها هنوز نامشخص است.
همچنین محققان MIT از این گیاه برای سنجش وضعیت محیطی به عنوان یک حسگر شیمیایی استفاده کرده‌اند. پژوهشگران MIT پیش از این از نانولوله‌های کربنی به عنوان حسگری برای مواد شیمیایی همچون هیدروژن پراکساید وTNT استفاده کرده بودند. در این روش نانولوله‌های کربنی که توسط پلیمرها پوشیده شده بودند به مولکول مورد نظر پاسخ می‌دادند.
پژوهشگران تصمیم گرفتند مشابه پروژه‌ی (PLEASED) از گیاهان به عنوان حسگرهای محیطی که به چند مؤلفه دما، حضور مواد شیمیایی، باران‌های اسیدی و رطوبت پاسخ می‌دهند استفاده کنند. گیاهان برای چنین کاربردی، بسترهای بسیار مناسبی هستند؛ چرا که می‌توانند به راحتی در شرایط سخت دوام بیاورند و نیازی به منبع انرژی جداگانه ندارند؛ ضمن اینکه تمامی مواد مورد نیاز خود را به صورت تمام خودکار فراهم می‌آورند.
پژوهشگران می‌خواهند با ادامه پژوهش‌ها در این زمینه، امکان استفاده از ذرات گرافن را نیز در این روش فراهم آورند. جزئیات این فناوری را می‌توانید در مجله‌ی علمی Nature Materials مطالعه کنید.