全球農業需要新的食品和水可持續性解決方案。隨著極端氣候變化，人口增長，糧食需求增加以及全球作物威脅，環境工程師正在尋找解決方案來管理未來的糧食生產，從最微小的水平開始。

根據目前的做法，高達95%的應用微量營養素和99.9%的應用殺蟲劑從未到達目的地并被浪費。它們積聚在土壤中或流入地下水中，造成附帶的環境破壞，降解土壤，并浪費生產和應用中使用的水和能源。

如果種植者可以將葉子上的東西直接施用到根部，那么它可能會以近乎100%的有效方式改變營養，抗生素和殺蟲劑。土木與環境工程博士Greg Lowry教授，博士后研究員Astrid Avellan以及一組研究人員成功地發現了一種將納米粒子應用于植物葉子的方法，以便它們一直穿過植物到達根部。他們的研究結果發表在最近的ACS Nano論文中。

“我們論文的結果確實有可能改變我們向農場提供農用化學品的方式，”洛瑞說。

研究小組將含有聚合物涂層的金納米粒子噴灑在幼小麥的葉子上。植物不需要黃金，但由于黃金不存在于植物的任何地方，因此它們能夠輕松識別它的行進位置。他們使用小麥植物，因為它們是美國的重要作物，并且易受營養缺乏的影響。

一旦將納米顆粒噴灑到葉子上，它們就會穿過角質層，角質層是覆蓋葉子的蠟質外層。然后，它穿過表皮。角質層和表皮是保護葉子免受傷害，防止水分流失以及允許植物進行氣體交換呼吸的層。然后納米顆粒進入內部葉組織或葉肉中。最后，它進入植物的脈管系統或植物的靜脈。從那里它可以一直沿著莖干進入根部，或者到達更高的葉子。

研究人員首次證明，一旦到達根部，納米粒子就會滲透到土壤中，粘附在堅持根系的微環境中，稱為根際。根際是植物與土壤相互作用，吸收養分，釋放小酸，二氧化碳和蛋白質，以及細菌和真菌進入植物的地方。目前可用于治療不健康根際的唯一方法是在土壤中混合農用化學品或用化學品施用水。在這兩種情況下都會損失大量化學物質。研究人員所展示的是100%有效的輸送，可以減少所需的化學品數量，降低成本，并限制環境污染。

這些微小的顆粒 - 小于50納米 - 可能是到2050年可持續養活預計將在地球上生活的100億人口的一個非常重要的關鍵。例如，在缺鋅土壤中生長的小麥植物變黃，作物減產隨著植物開始死亡。但是，如果你能將氧化鋅納米粒子通過葉子到達根部，它們就會滲透到土壤中，使土壤和植物都健康。

農民也可以向植物提供抗生素。一旦植物將細菌帶入其脈管系統，就沒有什么可以挽救它。但是，如果抗生素納米粒子可以通過葉子進入脈管系統，它們可以預防或治療全身性細菌性疾病。

納米粒子也比化學品更有效，因為工程師可以將它們設計成具有特定的性質。例如，他們可以設計一種納米粒子，它會在下雨時粘在葉子上而不會滴落。或者他們可以在顆粒外部設計涂層以響應濕氣或光線。與目前使用的常規農用化學品相比，還可以設計將以更少的量使用并且對環境和人類健康更好的納米顆粒。可能性是無窮無盡的，這是重要的第一步。

以100%有效的方式在植物上提供納米粒子是洛瑞更大的原子效率農業目標的一部分(其中每個原子投入作物都被使用而不是浪費)，并應對糧食不安全等社會挑戰。

“在這一點上，我們必須在同樣數量的土地上增加80%的食物，減少污染，”洛瑞說。“這將使我們的農業方式發生轉變，這就是我們正在努力提供的幫助。”