UvA’ers ontdekken 'zonnebrandcrème' die planten vorstbestendig maakt
Voor een dure gasrekening voor plantenkassen komt mogelijk een oplossing: planten verwarmen met moleculaire temperatuurregelaars. Wetenschappers aan de UvA ontwierpen moleculen die UV-licht omzetten in trillingen die warmte produceren. Woensdag 10 november publiceerden de onderzoekers hun resultaten in Chemical Science.
‘Het idee voor moleculaire temperatuurregelaars ontstond bij het onderzoek naar zonnebrandcrèmes in onze groep en die van collega-onderzoekers’, vertelt hoogleraar Wybren Jan Buma. Zonnebrand heeft als belangrijkste doel om UV-licht te absorberen en zo de huid te beschermen. Bij dat proces wordt de UV-straling omgezet in warmte. Buma en zijn collega’s kwamen tot de conclusie dat die warmte uitstekend gebruikt zou kunnen worden in de landbouw. Buma: ‘We gebruiken daar speciaal ontwikkelde moleculen voor die sterk lijken op niet-giftige moleculen die een plant zelf ook maakt, maar in de plant in lagere concentraties aanwezig zijn.’
Door planten te besproeien met deze speciale ‘zonnebrandcrème’, wordt het schadelijke UV-licht tegengehouden en het zonlicht dat nodig is voor fotosynthese doorgelaten. Bovendien verhoogt de crème de temperatuur op de bladeren met één a twee graden. Buma: ‘Bij hogere temperaturen gaan de chemische processen sneller, worden de opbrengsten van de gewassen hoger en kan het groeiseizoen naar voren worden gehaald.’ De crème biedt ook bescherming tegen vorst, doordat de planten zich overdag versterkt hebben door beter te groeien. Ook kunnen gewassen op grotere hoogtes verbouwd worden, waar het kouder is en er meer schadelijke UV-straling is.
Kleine pakketjes energie
Hoe zetten de moleculen zonlicht eigenlijk om in warmte? Buma: ‘Licht bestaat uit fotonen, kleine pakketjes energie. De moleculen absorberen de fotonen en raken daardoor in een hogere energetische toestand, ofwel een elektronisch aangeslagen toestand. In die toestand zijn de moleculen erg reactief, en het laatste dat we willen is dat het molecuul gaat reageren met de plant.’ Daarom is het zaak dat het molecuul zo snel mogelijk weer terugvalt naar de toestand waarin het normaal is. Buma: 'Het mooie van de moleculen die wij gebruiken is dat dat in een miljoenste van een miljoenste van een seconde gebeurt, en er dus geen schadelijke reacties kunnen optreden. Bij terugkeer naar de begintoestand krijgt het molecuul een hele hoop trillingsenergie, en die beweging veroorzaakt warmte.'
Een elektronisch aangeslagen toestand van een molecuul heeft normaal een relatief lange levensduur (in de orde van een duizendste van een miljoenste van een seconde). Moleculen die in een miljoenste van een miljoenste seconde terugvallen naar de grondtoestand zijn eerder een uitzondering. In het geval van de moleculen die de onderzoekers gebruikten, fenolische barbiturics, wordt de overgang vergemakkelijkt door de draaiing van de twee helften van het molecuul rond een dubbele binding, een zogenoemde cis-trans isomerisatie. Interessant genoeg werken de moleculen in onze ogen die ervoor zorgen dat we kunnen zien volgens hetzelfde moleculaire principe.
Sinds september doen medewerkers uit de plantbiologiegroep van Teun Munnik veldtesten in Dortmund, in samenwerking met een vergelijkbare Britse groep. In Dortmund onderzochten ze het effect van de spray op de opbrengst van verschillende gewassen waaronder tabak en peper. Volgend jaar volgt een tweede set proeven op andere gewassen waaronder mais en tomaten.
Het onderzoek wordt gefinancierd door het Europese 'Future and Emerging Technologies' programma ter waarde van vijf miljoen euro dat twee jaar geleden is toegekend. Buma: ‘Het uiteindelijke doel is om een steentje bij te dragen aan het oplossen van het wereldvoedselprobleem.’
Maar het onderzoek heeft meer toepassingen. Buma: ‘Nederland is een van de grootste exporteurs van kiemplantjes. Als je het groeiseizoen van die kiemplantjes een paar dagen naar voren zou kunnen halen, dan zou dat economisch gezien al ontzettend veel opleveren.’ Daarnaast kunnen dit soort fotothermische moleculen ook in veel andere gebieden gebruikt worden waaronder elektronica, sensoren, en medische toepassingen.
