Iowa State University plantwetenschapper Patrick Schnable beschreef snel hoe hij de tijd meet die nodig is voor twee soorten maïsplanten om water van hun wortels te verwijderen, naar hun onderste bladeren en vervolgens naar hun bovenste bladeren.

Dit was geen technische nauwkeurig, poster gesprek. Dit was een onderzoeker die geïnteresseerd was in het werken met nieuwe, goedkoop, gemakkelijk geproduceerd, op grafeen gebaseerd, sensoren-on-tape die aan planten kunnen worden bevestigd en die onderzoekers en boeren van nieuwe soorten gegevens kunnen voorzien.

"Met zo'n tool we kunnen beginnen met het kweken van planten die efficiënter zijn in het gebruik van water, "zei hij. "Dat is spannend. Vroeger konden we dit niet. Maar, zodra we iets kunnen meten, we kunnen het beginnen te begrijpen."

De tool die deze watermetingen mogelijk maakt, is een kleine grafeensensor die op planten kan worden geplakt - onderzoekers hebben het een 'planttattoosensor' genoemd. Grafeen is een wondermateriaal. Het is een koolstofhoningraat van slechts een atoom dik, het is geweldig in het geleiden van elektriciteit en warmte, en het is sterk en stabiel. De grafeen-op-tape-technologie in deze studie is ook gebruikt om draagbare spannings- en druksensoren te produceren, inclusief sensoren ingebouwd in een "slimme handschoen" die handbewegingen meet.

Onderzoekers beschrijven de verschillende sensoren en de "eenvoudige en veelzijdige methode voor het modelleren en overbrengen van op grafeen gebaseerde nanomaterialen" om de flexibele sensoren te maken in een paper op de omslag van het decembernummer van het tijdschrift Geavanceerde materiaaltechnologieën .

Het onderzoek is voornamelijk ondersteund door het Faculty Scholars Program van het Plant Sciences Institute in de staat Iowa.

Liang Dong, een Iowa State universitair hoofddocent elektrische en computertechniek, is de hoofdauteur van de paper en ontwikkelaar van de technologie. Seval Oren, een doctoraatsstudent in elektrotechniek en computertechniek, is een co-auteur die heeft meegewerkt aan de ontwikkeling van de sensorfabricagetechnologie. Co-auteurs die hebben geholpen bij het testen van toepassingen van de sensoren zijn Schnable, directeur van het Plant Sciences Institute in de staat Iowa, een Charles F. Curtiss Distinguished Professor in Agriculture and Life Sciences, de Iowa Corn Promotion Board Endowed Chair in Genetics en de Baker Scholar of Agricultural Entrepreneurship; en Halil Ceylan, een hoogleraar civiele, bouw- en milieutechniek.

"We proberen sensoren te maken die goedkoper zijn en toch goed presteren, ' zei Dong.

Om dat te doen, de onderzoekers hebben een proces ontwikkeld om ingewikkelde grafeenpatronen op tape te fabriceren. Dong zei dat de eerste stap het creëren van ingesprongen patronen op het oppervlak van een polymeerblok is, hetzij met een gietproces of met 3D-printen. Ingenieurs passen een vloeibare grafeenoplossing toe op het blok, de ingesprongen patronen vullen. Ze gebruiken tape om het overtollige grafeen te verwijderen. Dan nemen ze nog een strook tape om de grafeenpatronen weg te trekken, het creëren van een sensor op de band.

Het proces kan nauwkeurige patronen produceren van slechts 5 miljoenste van een meter breed - slechts een twintigste van de diameter van het gemiddelde mensenhaar. Dong zei dat het zo klein maken van de patronen de gevoeligheid van de sensoren verhoogt.

(Het proces, bijvoorbeeld, produceerde een gedetailleerd beeld van de Cyclone-mascotte van Iowa State met een diameter van minder dan 2 millimeter. "Ik denk dat dit waarschijnlijk de kleinste cycloon is, ' zei Dong.)

"Dit fabricageproces is heel eenvoudig, ' zei Dong. 'Je gebruikt gewoon tape om deze sensoren te maken. De kosten zijn slechts centen."

In het geval van plantenstudies, de sensoren zijn gemaakt met grafeenoxide, een materiaal dat zeer gevoelig is voor waterdamp. De aanwezigheid van waterdamp verandert de geleidbaarheid van het materiaal, en dat kan worden gekwantificeerd om transpiratie (het vrijkomen van waterdamp) uit een blad nauwkeurig te meten.

De plantsensoren zijn met succes getest in laboratorium- en proefveldexperimenten, zei Dong.

Een nieuwe driejarige $ 472, 363-subsidie ​​​​van het Agriculture and Food Research Initiative van het Amerikaanse ministerie van landbouw zal meer veldtesten van watertransport in maïsplanten ondersteunen. Michael Castellano, een Iowa State universitair hoofddocent agronomie en William T. Frankenberger Professor in Bodemkunde, zal het project leiden. Mede-onderzoekers zijn onder meer Dong en Schnable.

De Iowa State University Research Foundation heeft patent aangevraagd op de sensortechnologie. De onderzoeksstichting heeft ook een optie verleend om de technologie te commercialiseren aan EnGeniousAg - een Ames startup-bedrijf dat mede is opgericht door Dong, Schnable, Castellano en James Schnable, een assistent-professor agronomie en tuinbouw aan de Universiteit van Nebraska-Lincoln, een medewerker van een ander sensorproject in de staat Iowa dat leidde tot de oprichting van het bedrijf (en de zoon van Patrick Schnable).

"De meest opwindende toepassing van de op tape gebaseerde sensoren die we tot nu toe hebben getest, is de plantsensor, "Dong zei. "Het concept van draagbare elektronische sensoren voor planten is gloednieuw. En de plantsensoren zijn zo klein dat ze transpiratie van planten kunnen detecteren, maar ze hebben geen invloed op de plantengroei of de gewasproductie."

Maar dat is niet alles wat de sensoren kunnen doen. De technologie zou "een nieuwe route kunnen openen" voor een breed scala aan toepassingen, de auteurs schreven in hun paper, waaronder sensoren voor biomedische diagnostiek, voor het controleren van de structurele integriteit van gebouwen, voor het bewaken van de omgeving en, na de nodige aanpassingen, voor het testen van gewassen op ziekten of pesticiden.