Patrick Schnable, phytotechnicien de l'Iowa State University, a rapidement décrit comment il mesurait le temps qu'il faut à deux types de plants de maïs pour évacuer l'eau de leurs racines, à leurs feuilles inférieures puis à leurs feuilles supérieures.

Ce n'était pas technique, précis, discours d'affiche. Il s'agissait d'un chercheur intéressé à travailler avec de nouveaux, à bas prix, facile à produire, à base de graphène, des capteurs sur bande qui peuvent être attachés aux plantes et peuvent fournir de nouveaux types de données aux chercheurs et aux agriculteurs.

"Avec un outil comme celui-ci, nous pouvons commencer à cultiver des plantes plus efficaces dans l'utilisation de l'eau, " dit-il. " C'est excitant. Nous ne pouvions pas faire ça avant. Mais, une fois que nous pouvons mesurer quelque chose, nous pouvons commencer à le comprendre."

L'outil permettant ces mesures de l'eau est un minuscule capteur de graphène qui peut être collé sur les plantes - les chercheurs l'ont surnommé un "capteur de tatouage de plante". Le graphène est un matériau miracle. C'est un nid d'abeilles en carbone d'une épaisseur d'un atome, c'est excellent pour conduire l'électricité et la chaleur, et c'est fort et stable. La technologie graphène sur bande dans cette étude a également été utilisée pour produire des capteurs de contrainte et de pression portables, y compris des capteurs intégrés dans un "gant intelligent" qui mesure les mouvements de la main.

Les chercheurs décrivent les différents capteurs et la "méthode simple et polyvalente pour modeler et transférer des nanomatériaux à base de graphène" pour créer les capteurs flexibles dans un article présenté sur la couverture du numéro de décembre 2017 de la revue. Technologies avancées des matériaux .

La recherche a été principalement financée par le Faculty Scholars Program du Plant Sciences Institute de l'Iowa State.

Liang Dong, un professeur agrégé de l'État de l'Iowa en génie électrique et informatique, est l'auteur principal de l'article et le développeur de la technologie. Seval Oren, un doctorant en génie électrique et informatique, est un co-auteur qui a aidé à développer la technologie de fabrication de capteurs. Les co-auteurs qui ont aidé à tester les applications des capteurs sont Schnable, directeur du Plant Sciences Institute de l'État de l'Iowa, un professeur distingué Charles F. Curtiss en agriculture et sciences de la vie, la chaire en génétique de l'Iowa Corn Promotion Board et le Baker Scholar of Agricultural Entrepreneurship; et Halil Ceylan, un professeur de civil, construction et génie de l'environnement.

"Nous essayons de fabriquer des capteurs moins chers et toujours performants, " dit Dong.

Pour faire ça, les chercheurs ont développé un procédé pour fabriquer des motifs de graphène complexes sur bande. Dong a déclaré que la première étape consiste à créer des motifs en retrait sur la surface d'un bloc polymère, soit avec un procédé de moulage, soit avec une impression 3D. Les ingénieurs appliquent une solution de graphène liquide au bloc, remplir les motifs en retrait. Ils utilisent du ruban adhésif pour éliminer l'excès de graphène. Ensuite, ils prennent une autre bande de ruban adhésif pour retirer les motifs de graphène, créer un capteur sur la bande.

Le processus peut produire des motifs précis aussi petits que 5 millionièmes de mètre de large - juste un vingtième du diamètre d'un cheveu humain moyen. Dong a déclaré que le fait de rendre les motifs si petits augmente la sensibilité des capteurs.

(Le processus, par exemple, a produit une image détaillée de la mascotte Cyclone de l'Iowa State mesurant moins de 2 millimètres de diamètre. "Je pense que c'est probablement le plus petit cyclone, " dit Dong.)

"Ce processus de fabrication est très simple, " Dit Dong. " Vous utilisez juste du ruban adhésif pour fabriquer ces capteurs. Le coût n'est que de quelques centimes."

Dans le cas des études végétales, les capteurs sont en oxyde de graphène, un matériau très sensible à la vapeur d'eau. La présence de vapeur d'eau modifie la conductivité du matériau, et qui peut être quantifié pour mesurer avec précision la transpiration (la libération de vapeur d'eau) d'une feuille.

Les capteurs de l'usine ont été testés avec succès dans des expériences de laboratoire et de terrain pilote, dit Dong.

Un nouveau triennal, $472, La subvention 363 de l'Initiative de recherche sur l'agriculture et l'alimentation du ministère de l'Agriculture des États-Unis soutiendra davantage d'essais sur le terrain du transport de l'eau dans les plants de maïs. Michel Castellano, professeur agrégé d'agronomie dans l'État de l'Iowa et professeur William T. Frankenberger en sciences du sol, dirigera le projet. Les co-chercheurs incluent Dong et Schnable.

La Iowa State University Research Foundation a déposé un brevet sur la technologie des capteurs. La fondation de recherche a également accordé une option de commercialisation de la technologie à EnGeniousAg - une start-up Ames co-fondée par Dong, Schnable, Castellano et James Schnable, professeur adjoint d'agronomie et d'horticulture à l'Université du Nebraska-Lincoln, un collaborateur sur un autre projet de capteur de l'État de l'Iowa qui a déclenché la création de l'entreprise (et le fils de Patrick Schnable).

« L'application la plus intéressante des capteurs à bande que nous avons testés jusqu'à présent est le capteur de plantes, " a déclaré Dong. " Le concept de capteurs électroniques portables pour les plantes est tout nouveau. Et les capteurs des plantes sont si petits qu'ils peuvent détecter la transpiration des plantes, mais ils n'affecteront pas la croissance des plantes ou la production agricole."

Mais ce n'est pas tout ce que les capteurs peuvent faire. La technologie pourrait « ouvrir une nouvelle voie » pour une grande variété d'applications, les auteurs ont écrit dans leur article, y compris des capteurs pour le diagnostic biomédical, pour vérifier l'intégrité structurelle des bâtiments, pour la surveillance de l'environnement et, après les modifications appropriées, pour tester les cultures pour les maladies ou les pesticides.