全球农业需要新的食品和水可持续性解决方案。随着极端气候变化，人口增长，粮食需求增加以及全球作物威胁，环境工程师正在寻找解决方案来管理未来的粮食生产，从最微小的水平开始。
根据目前的做法，高达95%的应用微量营养素和99.9%的应用杀虫剂从未到达目的地并被浪费。它们积聚在土壤中或流入地下水中，造成附带的环境破坏，降解土壤，并浪费生产和应用中使用的水和能源。
如果种植者可以将叶子上的东西直接施用到根部，那么它可能会以近乎100%的有效方式改变营养，抗生素和杀虫剂。土木与环境工程博士Greg Lowry教授，博士后研究员Astrid Avellan以及一组研究人员成功地发现了一种将纳米粒子应用于植物叶子的方法，以便它们一直穿过植物到达根部。他们的研究结果发表在最近的ACS Nano论文中。
“我们论文的结果确实有可能改变我们向农场提供农用化学品的方式，”洛瑞说。
研究小组将含有聚合物涂层的金纳米粒子喷洒在幼小麦的叶子上。植物不需要黄金，但由于黄金不存在于植物的任何地方，因此它们能够轻松识别它的行进位置。他们使用小麦植物，因为它们是美国的重要作物，并且易受营养缺乏的影响。
一旦将纳米颗粒喷洒到叶子上，它们就会穿过角质层，角质层是覆盖叶子的蜡质外层。然后，它穿过表皮。角质层和表皮是保护叶子免受伤害，防止水分流失以及允许植物进行气体交换呼吸的层。然后纳米颗粒进入内部叶组织或叶肉中。最后，它进入植物的脉管系统或植物的静脉。从那里它可以一直沿着茎干进入根部，或者到达更高的叶子。
研究人员首次证明，一旦到达根部，纳米粒子就会渗透到土壤中，粘附在坚持根系的微环境中，称为根际。根际是植物与土壤相互作用，吸收养分，释放小酸，二氧化碳和蛋白质，以及细菌和真菌进入植物的地方。目前可用于治疗不健康根际的唯一方法是在土壤中混合农用化学品或用化学品施用水。在这两种情况下都会损失大量化学物质。研究人员所展示的是100%有效的输送，可以减少所需的化学品数量，降低成本，并限制环境污染。
这些微小的颗粒 - 小于50纳米 - 可能是到2050年可持续养活预计将在地球上生活的100亿人口的一个非常重要的关键。例如，在缺锌土壤中生长的小麦植物变黄，作物减产随着植物开始死亡。但是，如果你能将氧化锌纳米粒子通过叶子到达根部，它们就会渗透到土壤中，使土壤和植物都健康。
农民也可以向植物提供抗生素。一旦植物将细菌带入其脉管系统，就没有什么可以挽救它。但是，如果抗生素纳米粒子可以通过叶子进入脉管系统，它们可以预防或治疗全身性细菌性疾病。
纳米粒子也比化学品更有效，因为工程师可以将它们设计成具有特定的性质。例如，他们可以设计一种纳米粒子，它会在下雨时粘在叶子上而不会滴落。或者他们可以在颗粒外部设计涂层以响应湿气或光线。与目前使用的常规农用化学品相比，还可以设计将以更少的量使用并且对环境和人类健康更好的纳米颗粒。可能性是无穷无尽的，这是重要的第一步。
以100%有效的方式在植物上提供纳米粒子是洛瑞更大的原子效率农业目标的一部分(其中每个原子投入作物都被使用而不是浪费)，并应对粮食不安全等社会挑战。
“在这一点上，我们必须在同样数量的土地上增加80%的食物，减少污染，”洛瑞说。“这将使我们的农业方式发生转变，这就是我们正在努力提供的帮助。”