LiU-forskare skapar elektroniska växter

Med halvledande polymerer kan såväl analoga som digitala
elektroniska kretsar skapas inne i levande blommor, buskar och träd, visar forskare vid Laboratoriet för organisk elektronik. Resultaten publiceras i Science Advances.

Eleni Stavrinidou, post doc, i labbet vid LOEFoto: Thor Balkhed Med hjälp av de kanaler som fördelar vatten och näring i växter har forskargruppen vid Laboratoriet för organisk elektronik, under ledning av professor Magnus Berggren, byggt upp nyckelkomponenterna i elektroniska kretsar. I en artikel i Science Advances visar de hur rosor kan tillverka både analoga och digitala elektroniska kretsar, som i förlängningen kan utnyttjas för att exempelvis reglera växtens fysiologi. 

Joner och växthormoner

Traditionell elektronik skickar och bearbetar elektroniska signaler medan växter transporterar och behandlar joner och växthormoner. I organisk elektronik, baserad på halvledande polymerer, kan både joner och elektroner fungera som signalbärare, vilket gör det möjligt översätta växternas signaler till traditionell elektronik. Med organisk elektronik integrerad i växter öppnar sig en lång rad möjligheter, som att ta tillvara energi från fotosyntesen i en bränslecell eller att läsa av och styra växters tillväxt och andra inre funktioner.

- Tidigare har vi inte haft några bra verktyg för att mäta koncentrationen av olika molekyler inne i levande växter. Nu kommer vi att kunna påverka koncentrationen av de olika ämnen i växten som styr tillväxt och utveckling. Här ser jag stora möjligheter att vi kan lära oss mer, säger Ove Nilsson, professor i växters reproduktionsbiologi på Umeå plant science center och som är medförfattare till artikeln.

Elektronik i papper

Sedan början av 1990-talet har Magnus Berggren, professor i organisk elektronik och hans grupp vid LiU forskat kring tryckt elektronik på papper. Då och då har även idén att stoppa in elektronik i själva trädet dykt upp, men forskningsfinansiärerna har varit kallsinniga. Tack vare fria forskningspengar från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse i slutet av 2012 kunde Magnus Berggren anställa tre nydisputerade forskare, Roger Gabrielsson, Eleni Stavrinidou och Eliot Gomez. Uppgiften var att, med stöd av universitetslektor Daniel Simon och professor Xavier Crispin, undersöka om det var möjligt att föra in och även tillverka elektronik i växter.

Svaret blev alltså ja. På lite drygt två år har forskargruppen lyckats få växter att tillverka både analoga och digitala kretsar.

Roger Gabrielsson hittade polymeren PEDOT-S som visade sig vara löslig i vatten. När den sugs upp i exempelvis en ros omvandlas den till en hydrogel som lägger sig som en tunn hinna utmed den kanal där blomman suger upp vatten och näring. Eleni Stavrinidou har sedan lyckats få plantor att tillverka tio cm långa och 50 mikrometer tjocka band av den ledande polymeren. Men en elektrod i vardera änden och en gate i mitten skapas en analog transistor.

- Vi har fått fram perfekta mätvärden som visar att det verkligen är en fullt fungerande transistor, säger Eleni Stavrinidou.

Polymerens ledningsförmåga har hon uppmätt till 0,13 Siemens/cm.

Byter färg  Uppkopplad rosFoto: LOE

Eliot Gomez utnyttjade en annan metod, vakuuminfiltration, vanlig inom växtbiologin, för att skicka en annan PEDOT-variant tillsammans med fibrer av nanocellulosa in i rosens bladverk. Cellulosan bildar en 3d-struktur med små hålrum, som i en tvättsvamp, inne i rosens blad och hålrummen fylls med den ledande polymeren. På så vis bildas elektrokemiska celler med ett antal pixlar, avdelade av bladnerverna. Elektrolyten kommer från vätskan i bladet. Det betyder att bladen fungerar på ungefär samma vis som de tryckta teckenfönster på rulle som tillverkas hos Acreo Swedish ICT i Norrköping.

- Vi kan skapa elektrokroma plantor, där bladen byter färg – det är coolt, säger Eliot Gomez.

Men det som annars är den organiska elektronikens svaghet - kyla och väta - löser växten när den kapslar in polymeren och skyddar den från väder och vind.

- Det verkar som om de polymerer vi använder är skapade för sin funktion, konstaterar Roger Gabrielsson.

Nytt forskningsfält


Magnus Berggren ser ett helt nytt forskningsfält:
- Nu kan vi börja tala om powerplants på riktigt, vi kan placera sensorer i växterna och utnyttja energin som bildas i klorofyllet, tillverka gröna antenner eller producera nya material. Allt sker naturligt och vi använder växternas egna mycket avancerade och unika system, säger han.

- Såvitt vi vet finns det inte några tidigare forskningsresultat publicerade kring elektronik tillverkad i växter. Ingen har gjort detta tidigare, konstaterar Magnus Berggren.Forskargruppen vid LOEFoto: Monica Westman

Artikeln: Electronic Plants, Eleni Stavrinidou, Roger Gabrielsson, Eliot Gomez, Xavier Crispin, Ove Nilsson, Daniel T Simon, Magnus Berggren, Science Advances, DOI 10.1126/sciadv.1501136

Siemens är SI-enheten för konduktans eller ledningsförmåga.

Forskargruppen vid LOE, från vänster Daniel Simon, Roger Gabrielsson, Eleni Stavrinidou, Eliot Gomez och Magnus Berggren. Saknas gör Xavier Crispin.

 

Publicerad 2015-11-20

Forskare

Forskning