Ученые: наночастицы превратили растение в детектор взрывчатки

Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) создали наночастицы, которые превращают обычный шпинат в высокочувствительный детектор взрывчатки, способный находить некоторые взрывчатые вещества и передавать полученные «агентурные сведения» по беспроводной связи оператору, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Materials.
«Растения являются очень хорошими химиками-аналитиками. У них есть обширная корневая система в почве, они постоянно делают замеры состава воды в почве и нашли способ транспортировать эту воду прямо в листья. Они могут фиксировать малейшие изменения в свойства почвы и воды. Если мы сможем «встроиться» в эти сигнальные цепочки, мы получим доступ к целому арсеналу химических «разведданных», — рассказывает Майкл Страно (Michael Strano) из Массачусетского технологического института в Кембридже (США).
Как утверждает Страно, его команде удалось создать один из первых примеров «растительного наонбионического организма» – встроить электронную систему в растительный организм, модифицировать его функции и заставить его передавать данные во внешний мир.
Несколько лет назад Страно и его коллеги научились вставлять обычные углеродные нанотрубки в листья растений, не причиняя вреда их клеткам, соединив наночастицы с редкоземельным металлом церием и акриловой кислотой. Подобная конструкция, как показали первые опыты, увеличивает эффективность фотосинтеза почти в три раза и позволяет использовать сами нанотрубки в качестве детекторов разных молекул.
Как работают такие детекторы? Одним из отличительных свойств нанотрубок является то, что они флуоресцируют, поглощая видимый свет и переизлучая его в виде волн инфракрасного излучения. В прошлом опыты команды Страно показали, что характер флуоресценции нанотрубок меняется, если в них попадают определенные молекулы, к примеру, оксид азота, один из самых вредных компонентов выхлопных газов.
Руководствуясь этой идеей, ученые разработали несколько вариантов нанотрубок, способных детектировать даже крайне небольшие концентрации молекул, содержащихся во взрывчатых веществах, построенных на базе нитратов, к числу которых относятся почти все боевые или самодельные типы взрывчатки.
Такие наночастицы, в компании с другой разновидностью нанотрубок, ученые ввели в листья обычного шпината, просто покрасив их с обратной стороны раствором наночастиц. Через некоторое время нанотрубки впитались в ткань листьев и «окопались» в слое между поверхностью листа и фотосинтезирующими клетками.
Второй тип нанотрубок играл ключевую роль в работе устройства – он постоянно светился и служил своеобразным индикатором того, что детектор работает, и помогал ученым отличать сигнал о наличии взрывчатки от случайных тепловых флуктуаций.
Сигнал с растения-«охранника» считывал небольшой датчик, расположенный рядом с кустом шпината и наблюдавший за ним при помощи инфракрасной камеры. Данные с этого датчика могут свободно передаваться на смартфоны или компьютеры службы безопасности при помощи беспроводной связи.
Как объясняет ученый, подобные нано-модификации растений можно проводить не только на шпинате, но и на любых других типах растений, обучая их «вынюхивать» не только взрывчатку, но и многие другие типы химических веществ. Сейчас растение способно обнаружить взрывчатые вещества примерно через 10 минут после их появления в его окрестностях, однако этот процесс, по словам Страно, можно в разы ускорить, если встроить наночастицы в систему обмена сигналами внутри клеток растений.
С другой стороны, даже 10 минут в принципе должно хватить, чтобы обнаружить потенциальных террористов в аэропортах или местах сосредоточения людей, так как растение, в отличие от собак или химических сенсоров, работает постоянно и обладает гораздо более высокой чувствительностью.