Cercetătorii au dezvoltat senzori pentru monitorizarea continuă a creșterii porumbului
Când este cel mai potrivit moment pentru aplicarea azotului? Cum reacționează planta la îngrășământ sau la diferite tratamente? În prezent există răspunsuri generale la aceste întrebări, însă cercetătorii lucrează la o soluție care ar putea oferi răspunsuri specifice, bazate pe date colectate continuu de la plantele de porumb.
La Universitatea de Stat din Dakota de Sud (SDSU), o echipă de cercetători a dezvoltat senzori care pot monitoriza continuu creșterea tulpinilor și a știuleților de porumb. Tehnologia ar putea permite amelioratorilor și agronomilor să descarce date direct de la plante și să le utilizeze pentru recomandări mai precise.
Senzori pe bază de grafen indus cu laser
Mazhar Sher, inginer specializat în biosenzori și profesor asistent în cadrul Departamentului de Inginerie Agricolă și Biosisteme, a început dezvoltarea senzorilor pe bază de grafen indus cu laser în august 2022, la sosirea sa la SDSU. Grafenul, obținut din grafit, a fost izolat pentru prima dată ca foaie cu un singur strat în 2004 de fizicienii Andre Geim și Konstantin Novoselov, la Universitatea din Manchester, iar experimentele lor au fost recompensate cu Premiul Nobel pentru fizică în 2010.
Grafenul indus cu laser a fost raportat pentru prima dată în 2014 de cercetători de la Universitatea Rice, care au demonstrat că un laser cu dioxid de carbon poate transforma direct poliimida comercială în grafen poros, stabilind o metodă rapidă și scalabilă de fabricare a structurilor de grafen.
Potrivit lui Sher, grafenul indus cu laser oferă conductivitate electrică ridicată, suprafață mare, flexibilitate mecanică, structură poroasă și sensibilitate crescută, calități care îl fac potrivit pentru aplicații de senzori. El a menționat că aceste materiale sunt deja utilizate în brățări de fitness. Înainte de a veni la SDSU, Sher a lucrat la senzori pentru boli umane în cadrul cercetării sale postdoctorale la Universitatea din Pennsylvania.
Domeniul senzorilor purtabili pentru plante abia acum se conturează, iar până în prezent nimeni nu dezvoltase senzori pentru măsurarea creșterii tulpinii sau a știuleților de porumb. Sher și studentul său de masterat, Chamika Kuruppuarachchi, au finalizat testele inițiale și speră să breveteze tehnologia. Următorul pas este efectuarea de teste pe teren în parcelele experimentale ale SDSU și obținerea de finanțare pentru continuarea cercetării.
Testare în seră și actualizarea datelor la fiecare 10 minute
Senzorii au fost dezvoltați în laboratorul de biosenzori al lui Sher din Centrul pentru Agricultură de Precizie Raven, iar porumbul a fost monitorizat în sera SDSU. Dispozitivele au măsurat creșterea în diametru a tulpinii și a știuleților, cu date actualizate la fiecare 10 minute.
Un element esențial al senzorilor pe bază de grafen indus cu laser este atașarea acestora pe o bandă din silicon de calitate alimentară, astfel încât, atunci când grafenul se îndoaie pentru a se adapta creșterii plantei, contactul să fie menținut. Sher a integrat, de asemenea, un mecanism cu arc care permite benzii de silicon să se extindă fără a restricționa creșterea plantei.
Pentru a obține cel mai bun senzor de grafen, puterea laserului și viteza de scanare trebuie să fie la niveluri optime, a explicat Sher. Acest lucru crește sensibilitatea grafenului și reduce defectele. Optimizarea parametrilor laserului a fost realizată de Sikander Ameer, un fost student doctoral care a lucrat cu Sher din august 2022 până la absolvirea sa în decembrie 2025.
Pornind de la această bază, Kuruppuarachchi a extins cercetarea dezvoltând senzori pe bază de grafen indus cu laser pentru utilizare ca dispozitive purtabile pentru plante. El a contribuit și la proiectarea și integrarea electronicii necesare pentru colectarea, procesarea și raportarea datelor de la senzori. Măsurătorile sunt înregistrate pe un card microSD, utilizat pentru stocarea datelor în dispozitive digitale portabile. Electronica este proiectată pentru funcționare pe baterii pe durata experimentelor lungi cu plante.
Publicul-țintă: amelioratori și agronomi
Deși foliile de poliimidă utilizate pentru crearea grafenului indus cu laser costă mai puțin de un dolar, cercetătorii nu își propun ca fermierii să aplice acești senzori pe tulpinile de porumb. Publicul-țintă îl reprezintă amelioratorii și agronomii, care ar putea oferi astfel recomandări și sfaturi mai specifice fermierilor.
