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Regressado a Inglaterra em [[1805]], despendeu os quatro anos seguintes a estudar e organizar a sua colecção de plantas. Durante este período publicou numerosas descrições de novas espécies e géneros: apenas para a região ocidental da Austrália deve-se a Brown a descrição de cerva de 1200 novas espécies. Em [[1810]] publicou os resultados do seu trabalho sobre a flora australiana na sua famosa obra ''Prodromus Florae Novae Hollandiae'', a primeira descrição sistemática da flora da [[Austrália]].
 
Nesse ano, Robert Brown sucedeu a [[Jonas C. DryanderJonas_Carlsson_Dryander|Jonas_Carlsson_Dryander]] como bibliotecário de Sir [[Joseph Banks]], e após a morte deste, ocorrida em [[1820]], herdou a sua [[biblioteca]] e [[herbário]]. Brown ofereceu-os em [[1827]] ao [[British Museum]], sendo então nomeado conservador da ''Banksian Botanical Collection'', a colecção de espécimes e de literatura botânica que tinha sido feita por Joseph Banks.
 
Em [[1827]], quando examinava ao [[microscópio]] uma suspensão aquosa de grãos de [[pólen]] e [[esporo]]s de [[musgo]]s e de ''[[Equisetum]]'', Brown observou que pequenas partículas contidas nos [[vacúolo]]s dos grãos de pólen executavam pequenos movimentos aparentemente aleatórios. Intrigado, observou que o mesmo fenómeno ocorria em partículas de pó, o que lhe permitiu concluir que os movimentos não eram devidos a mecanismos biológicos associados ao pólen. Apesar de não ter conseguido encontrar a verdadeira explicação para o fenómeno observado, este passou a designar-se por [[movimento browniano]], em honra do seu descobridor.