Gli agricoltori e i frutticoltori riferiscono che il cambiamento climatico sta portando ad un aumento delle concentrazioni di ozono sulla superficie del suolo nei loro campi e frutteti, un'esposizione che può causare danni irreversibili alle piante, ridurre i raccolti e minacciare l'approvvigionamento alimentare, affermano i chimici dei materiali guidati da Trisha Andrew presso l'Università del Massachusetts Amherst.

Scrivendo in Progressi scientifici , i co-primi autori Jae Joon Kim e Ruolan Fan mostrano che il metodo del laboratorio Andrew di deposito di vapore conduttivo "tatuaggi" polimerici sulle foglie delle piante può consentire ai coltivatori di rilevare e misurare con precisione tale danno da ozono, anche a bassi livelli di esposizione. I loro tatuaggi polimerici resilienti posti sulle foglie consentono un "monitoraggio frequente e a lungo termine del danno cellulare dell'ozono in colture economicamente importanti come uva e mele, " dice Andrea.

Loro scrivono, "Abbiamo selezionato l'uva (Vitis vinifera L.) come nostra pianta modello perché la resa dei frutti e la qualità dei frutti delle viti diminuiscono significativamente con l'esposizione all'ozono a livello del suolo, portando a significative perdite economiche." L'ozono troposferico può essere prodotto dall'interazione tra i nitrati nei fertilizzanti e il sole, Per esempio.

UMass Amherst viticoltrice Elsa Petit, che ha consigliato il team di chimica, dice che il tatuaggio del sensore potrebbe essere particolarmente utile per l'industria dell'uva. "Con il cambiamento climatico, l'ozono aumenterà e questo nuovo sensore potrebbe essere estremamente utile per aiutare gli agricoltori ad agire prima che il danno sia riconoscibile a occhio nudo, ", afferma. L'ozono a livello del suolo può essere mitigato rilevando tempestivamente e trattando la superficie del suolo con polveri di carbone o zeolite.

Come spiega Andrea, il suo laboratorio, finanziato dalla National Science Foundation, hanno adattato il metodo di deposizione da vapore degli elettrodi che avevano sviluppato in precedenza per rivestire i tessuti per i dispositivi di rilevamento medico per un nuovo uso:sulle piante viventi. Il film polimerico conduttore, poli (3, 4-etilendiossitiofene), PEDOTTO, ha uno spessore di appena 1 micron, quindi lascia entrare la luce solare e non danneggia le foglie. Metalloide, i polimeri a base di carbonio che fungono da elettrodi conduttori sono sempre più utilizzati nella progettazione di materiali morbidi da quando sono stati inventati negli anni '70, aggiunge.

"Il nostro si comporta come un tatuaggio temporaneo su un essere umano, " dice Andrew. "Non si lava via e le proprietà elettriche del polimero non si degradano, anche da molto tempo. Abbiamo delle piante tatuate in una serra del campus e un anno dopo stanno ancora crescendo bene, mettendo radici e foglie come di consueto."

Per testare i danni precoci dell'ozono, lei e i suoi colleghi usano uno spettrometro di impedenza portatile adattato dalla pratica medica umana. Quando tocca il tatuaggio dell'elettrodo, un visualizzatore riporta la relazione tra resistenza elettrica e frequenza. Questo valore di tensione cambia in presenza di vari fattori, compreso il danno ossidativo da ozono.

Andrea dice, "Ottieni un'immagine della forma d'onda; un programma software si adatta all'onda in modo da poter estrarre determinati parametri dei tessuti. Siamo in grado di riconoscere i modelli per diversi tipi di danno. È coerente e straordinariamente accurato. Se lo usi sulla stessa pianta per un anno , finché la pianta è sana, il segnale non cambia davvero in quel lasso di tempo".

"Il problema scientificamente è che il danno visivo dell'ozono sembra esattamente lo stesso che si avrebbe se si innaffiasse troppo poco la pianta o si prendesse troppo sole. Questo progetto è diventato intellettualmente interessante per noi quando abbiamo guardato la firma dell'ozono delle nostre letture ed è stato molto diverso dalla siccità o dai danni UV. L'ozono produce un cambiamento unico nell'impedenza elettrica ad alta frequenza e nei segnali di fase delle foglie".

Gli scienziati sperano che la loro invenzione possa essere utilizzata da agricoltori e frutticoltori che potrebbero inserire alcune "piante reporter" tra le colture per monitorare periodicamente i livelli di ozono nel suolo. "Ti dà un'immagine di ciò che sta accadendo nel tuo suolo, " suggerisce Andrew. "Puoi essere avvisato se il livello del fertilizzante è sbagliato, Per esempio. Questo può succedere, soprattutto con colture alimentari che hanno bisogno di molto sole e fertilizzanti per produrre, come meloni, uva e frutti del frutteto. Alcune piante ne sono molto sensibili".