Lo scienziato delle piante dell'Iowa State University Patrick Schnable ha rapidamente descritto come ha misurato il tempo necessario a due tipi di piante di mais per spostare l'acqua dalle loro radici, alle loro foglie inferiori e poi alle loro foglie superiori.

Non era tecnico, preciso, discorso manifesto. Questo era un ricercatore interessato a lavorare con nuovi, basso costo, facilmente prodotto, a base di grafene, sensori su nastro che possono essere collegati alle piante e possono fornire nuovi tipi di dati a ricercatori e agricoltori.

"Con uno strumento come questo, possiamo iniziare ad allevare piante più efficienti nell'uso dell'acqua, " ha detto. "Questo è eccitante. Non potevamo farlo prima. Ma, una volta che possiamo misurare qualcosa, possiamo cominciare a capirlo."

Lo strumento che rende possibili queste misurazioni dell'acqua è un minuscolo sensore di grafene che può essere registrato sulle piante:i ricercatori lo hanno soprannominato un "sensore per tatuaggi di piante". Il grafene è un materiale meraviglioso. È un favo di carbonio spesso solo un atomo, è ottimo per condurre elettricità e calore, ed è forte e stabile. La tecnologia del grafene su nastro in questo studio è stata utilizzata anche per produrre sensori di deformazione e pressione indossabili, compresi i sensori integrati in un "guanto intelligente" che misura i movimenti della mano.

I ricercatori descrivono i vari sensori e il "metodo semplice e versatile per modellare e trasferire nanomateriali a base di grafene" per creare i sensori flessibili in un articolo apparso sulla copertina del numero di dicembre 2017 della rivista Tecnologie avanzate dei materiali .

La ricerca è stata principalmente supportata dal programma di studiosi della facoltà dell'Istituto di scienze vegetali dello stato dell'Iowa.

Liang Dong, un professore associato di ingegneria elettrica e informatica dello stato dell'Iowa, è l'autore principale del documento e sviluppatore della tecnologia. Seval Oren, uno studente di dottorato in ingegneria elettrica e informatica, è un coautore che ha contribuito a sviluppare la tecnologia di fabbricazione dei sensori. I coautori che hanno aiutato a testare le applicazioni dei sensori sono Schnable, direttore del Plant Sciences Institute dell'Iowa State, un Charles F. Curtiss Distinguished Professor in agricoltura e scienze della vita, l'Iowa Corn Promotion Board Endowed Chair in Genetics e il Baker Scholar of Agricultural Entrepreneurship; e Halil Ceylan, un professore di diritto civile, ingegneria edile e ambientale.

"Stiamo cercando di realizzare sensori più economici e comunque ad alte prestazioni, " Disse Dong.

Fare quello, i ricercatori hanno sviluppato un processo per fabbricare intricati modelli di grafene su nastro. Dong ha detto che il primo passo è creare modelli dentellati sulla superficie di un blocco di polimero, sia con un processo di stampaggio che con la stampa 3D. Gli ingegneri applicano una soluzione liquida di grafene al blocco, riempiendo i modelli rientrati. Usano del nastro adesivo per rimuovere il grafene in eccesso. Quindi prendono un'altra striscia di nastro adesivo per rimuovere i modelli di grafene, creando un sensore sul nastro.

Il processo può produrre modelli precisi di soli 5 milionesimi di metro di larghezza, appena un ventesimo del diametro di un capello umano medio. Dong ha detto che rendere i modelli così piccoli aumenta la sensibilità dei sensori.

(Il processo, Per esempio, ha prodotto un'immagine dettagliata della mascotte Cyclone dell'Iowa State con un diametro inferiore a 2 millimetri. "Penso che questo sia probabilmente il ciclone più piccolo, "Dong ha detto.)

"Questo processo di fabbricazione è molto semplice, "Dong ha detto. "Basta usare il nastro per fabbricare questi sensori. Il costo è di pochi centesimi".

Nel caso di studi sulle piante, i sensori sono realizzati con ossido di grafene, un materiale molto sensibile al vapore acqueo. La presenza di vapore acqueo modifica la conduttività del materiale, e che può essere quantificato per misurare con precisione la traspirazione (il rilascio di vapore acqueo) da una foglia.

I sensori dell'impianto sono stati testati con successo in laboratorio e esperimenti sul campo pilota, ha detto Dong.

Un nuovo triennio, $ 472, La sovvenzione 363 dell'Iniziativa per la ricerca sull'agricoltura e l'alimentazione del Dipartimento dell'agricoltura degli Stati Uniti sosterrà ulteriori test sul campo del trasporto dell'acqua nelle piante di mais. Michele Castellano, un professore associato di agronomia dello stato dell'Iowa e William T. Frankenberger professore di scienze del suolo, guiderà il progetto. I co-investigatori includono Dong e Schnable.

La Iowa State University Research Foundation ha richiesto un brevetto sulla tecnologia dei sensori. La fondazione di ricerca ha anche concesso un'opzione per commercializzare la tecnologia a EnGeniousAg, una startup di Ames co-fondata da Dong, Schnable, Castellano e James Schnable, un assistente professore di agronomia e orticoltura presso l'Università del Nebraska-Lincoln, un collaboratore di un altro progetto di sensori dello stato dell'Iowa che ha dato il via alla fondazione dell'azienda (e figlio di Patrick Schnable).

"L'applicazione più entusiasmante dei sensori basati su nastro che abbiamo testato finora è il sensore delle piante, " Dong ha detto. "Il concetto di sensori elettronici indossabili per le piante è nuovo di zecca. E i sensori delle piante sono così piccoli che possono rilevare la traspirazione delle piante, ma non influenzeranno la crescita delle piante o la produzione agricola".

Ma non è tutto ciò che i sensori possono fare. La tecnologia potrebbe "aprire una nuova strada" per un'ampia varietà di applicazioni, gli autori hanno scritto nel loro articolo, compresi i sensori per la diagnostica biomedica, per la verifica dell'integrità strutturale degli edifici, per il monitoraggio dell'ambiente e, dopo le opportune modifiche, per testare le colture per malattie o pesticidi.