Lá rau chân vịt sau khi được cấy ống nano cacbon, chuyển đổi thành cây bionic có thể phát ra tia hồng ngoại và phát hiện nitroaromatic, hợp chất phổ biến trong các loại bom mìn, đạn dược.
Nếu chất này có trong nước ngầm, các cây rau chân vịt sẽ hấp thụ chúng qua rễ, rồi chuyển đến lá, tiếp đó lá phát ra tia hồng ngoại để báo hiệu.
Sau đó, một thiết bị phát hiện được cài đặt trên điện thoại thông minh sẽ nhận diện sự thay đổi của lá cây. Trong thử nghiệm với axit picric, một loại chất nổ, các tín hiệu hồng ngoại được nhận diện trong vòng 10 phút sau khi rễ ngấm hóa chất.
Các nhà nghiên cứu cho rằng, cách tiếp cận bằng "nanobionic" nhanh hơn nhiều các phương pháp kỹ thuật trước đây. Ví dụ, phương pháp dựa trên quan sát cây héo hay mất dần màu xanh sẽ tốn nhiều giờ hoặc vài ngày và không dễ dàng phát hiện bằng thiết bị điện tử.
Nhóm nghiên cứu cũng sử dụng giống rau chân vịt hoang nhiều hơn giống được nuôi dưỡng đặc biệt trong phòng thí nghiệm. Họ tin rằng có thể nhân rộng phương pháp với các giống cây trồng đã thích ứng với môi trường tự nhiên.
Trưởng nghiên cứu Michael Strano, giáo sư công nghệ hóa học tại Viện công nghệ Massachusetts cho biết:
"Kỹ thuật di truyền có sức mạnh to lớn, nhưng trên thực tế chỉ có số ít cây được hoàn thiện, chúng tôi có thể lấy cây ở sân nhà bạn và chuyển đổi nó". Nghiên cứu ở đây sử dụng công nghệ nanobionic thay vì di truyền học.
Sức mạnh của thực vật
Strano cho rằng thực vật sẽ là cảm biến hóa học tuyệt với, nhờ sự phát triển của mạng lưới rễ và khả năng hút nước ngầm nhờ vào nguồn năng lượng mặt trời miễn phí. Hơi nước thoát ra từ lá, kích thích rễ cây hấp thụ nước trong đất.
Bởi vì nước bay hơi, các chất được hấp thụ cùng nước không dễ bay hơi sẽ tập trung ở lá. Do đó, thực vật có thể phát hiện nồng độ hóa chất rất thấp.
Các cảm biến nano trong nghiên cứu này nhạy cảm với nhiều chất nổ, thậm chí có thể phát hiện các chất được sản sinh trong quá trình chất nổ phân hủy.
Để nhận các tín hiệu hồng ngoại, nhóm nghiên cứu sử dụng một máy ảnh hồng ngoại nhỏ kết nối với một máy tính Raspberry Pi nhỏ gọn. Tuy nhiên, Strano cho biết điện thoại thông minh dễ dàng thực hiện chức năng này, nếu bỏ bộ lọc hồng ngoại.
Thử nghiệm hệ thống được thực hiện ở khoảng cách 1 mét, nhưng các nhà nghiên cứu nói rằng cảm biến sẽ hoạt động trên phạm vi rộng hơn nhiều, cho phép giám sát nhiều cây cùng một lúc.
Nhóm đã cấy thêm các hạt nano huỳnh quang thứ hai cùng với cảm biến nano. Các hạt này không nhạy cảm với nitroaromatic, nhưng sẽ cung cấp các tín hiệu hồng ngoại liên tục để so sánh với tín hiệu mà cảm biến nano nhận được.
Nhờ các tín hiệu tham khảo này, tín hiệu hồng ngoại sẽ được tiếp nhận từ bất kỳ góc độ, khoảng cách nào một cách chính xác và nhanh chóng.
Bước tiến quan trọng
Bogdan Dragnea, giáo sư hóa học tại Đại học Indiana, chuyên gia về công nghệ nano, dù không tham gia vào nghiên cứu, nhưng ông đánh giá công trình này là một bước tiến lớn trong giám sát ô nhiễm đất.
Micheal Strano nói rằng nhóm của ông hy vọng có thể tăng số lượng cảm biến cấy ghép trên thực vật, để phát hiện nhiều loại hóa chất trong cả không khí và nước ngầm.
"Một cái cây có thể giám sát môi trường riêng của nó về dịch bệnh, hư hại hay hạn hán", Strano nói. "Đó là những "công chúng" rất nhạy cảm về sinh lý riêng, chúng tôi quan tâm đến mở rộng tiếp cận và khai thác mạng tín hiệu phức tạp này của thực vật".
Theo Strano, nông nghiệp đô thị là thị trường đầy hứa hẹn với công nghệ này, vì các trang trại ở đô thị cần hoạt động cực kỳ hiệu quả để sử dụng tốt nhất quỹ đất có hạn. Hơn nữa, thực vật trong không gian khép kín dễ dàng theo dõi hơn.
Raffaele Di Giacomo, tiến sĩ thuộc Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ, cũng là một nhà nghiên cứu về nanobionic khác, nói rằng công nghệ này có thể gặp phải một số khó khăn và hiệu chuẩn và ổn định, nhưng hệ thống đơn giản và giá thành thấp sẽ bù đắp lại.
Ông chia sẻ: "Tôi không nghi ngờ rằng trong tương lai gần chúng ta sẽ có thực vật cảm biến thương mại trong nhà hay văn phòng, chúng sẽ gửi trực tiếp đến điện thoại thông minh của chúng ta những dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm, oxy và các chất ô nhiễm".