Engenheiros fabricam sensores portáteis que permitem medir o uso de água em culturas

Pesquisadores da Universidade Estadual de Iowa desenvolveram essas "tatuagens-sensores de plantas" para medir diretamente o uso de água em culturas, em tempo real.

Texto traduzidodo Science Daily por Cristina Petrizzi

Os cientistas estão desenvolvendo sensores em fita com base em óxido de grafeno que podem ser fixados às plantas e podem fornecer dados aos pesquisadores e agricultores sobre o uso de água em culturas.  A tecnologia pode ter muitas outras aplicações, incluindo sensores para diagnóstico biomédico, para verificação da integridade estrutural dos edifícios, para monitoramento do meio ambiente e, com modificações, para testar culturas e detectar doenças ou pesticidas.

O cientista botânico da Universidade Estadual de Iowa, nos Estados Unidos, Patrick Schnable, descreveu rapidamente como ele mediu o tempo necessário para o percurso da água de suas raízes, para suas folhas mais baixas e depois para as folhas superiores em dois tipos de milho.

Esta não foi uma conversa técnica, de precisão, nem uma apresentação.  O que se tem aqui é um pesquisador interessado em trabalhar com novos sensores em fita com base em óxido de grafeno, de baixo custo e facilmente produzidos, que podem ser fixados às plantas e podem fornecer novos tipos de dados para os pesquisadores e agricultores.

"Com uma ferramenta como essa, podemos começar a criar plantas que sejam mais eficientes no uso de água", ele disse.  "Isso é animador.  Não podíamos fazer isso antes.  Mas, quando podemos medir alguma coisa, podemos entendê-la melhor".

A ferramenta que permite fazer medições da água é um pequeno sensor de óxido de grafeno que pode ser preso às plantas - os pesquisadores o apelidaram de "plant tattoo sensor" (tatuagem-sensor de planta, em uma tradução livre).  O óxido de grafeno é um material maravilhoso.  Trata-se de uma estrutura hexagonal de carbono da espessura de um átomo e é um ótimo condutor de eletricidade e calor, além de ser forte e estável.  A tecnologia de grafeno em fita também foi usada neste estudo para produzir sensores portáteis de tensão e pressão, incluindo sensores incorporados em uma "luva inteligente" que pode medir os movimentos das mãos.

Os pesquisadores descrevem os vários sensores e o "método simples e versátil para modelar e transferir nanomateriais à base de grafeno" para criar os sensores flexíveis em um artigo apresentado na capa da edição de dezembro de 2017 da revista Advanced Materials Technologies.

A pesquisa contou principalmente com o apoio do Programa de Pesquisas do Corpo docente do Instituto Estadual de Ciências Botânicas de Iowa.

Liang Dong, professor associado de engenharia elétrica e informática da Universidade Estadual de Iowa, é o principal autor do estudo e desenvolvedor da tecnologia.  Seval Oren, doutorando em engenharia elétrica e informática, é um dos coautores que ajudou a desenvolver a tecnologia de fabricação de sensores.  Os coautores que ajudaram a testar aplicações dos sensores são Schnable, diretor do Instituto de Ciências Botânicas da Universidade Estadual de Iowa,  Professor Emérito em Agricultura e Ciências da Vida do Departamento de Ciências Charles F. Curtiss, Titular da Cadeira de Genética do Conselho para Promoção do Milho de Iowa e Acadêmico em Empreendedorismo Agrícola de Baker; e Halil Ceylan, professor de engenharia civil, construção e meio ambiente.

"Estamos tentando fazer sensores mais baratos, mas de alta performance", disse Dong.

Para isso, os pesquisadores desenvolveram um processo para fabricar estampas em grafeno sobre fita.  Dong disse que o primeiro passo é criar padrões estampados em baixo relevo na superfície de um bloco de polímero, com um processo de moldagem ou impressão em 3-D.  Os engenheiros aplicam uma solução líquida de grafeno no bloco, preenchendo o baixo relevo das estampas.  Eles usam fita adesiva para remover o excesso de grafeno.  Em seguida, eles pegam outra tira de fita para retirar as estampas moldadas em grafeno, criando um sensor sobre a fita.

O processo pode produzir estampas precisas com apenas 5 milionésimos de metros de largura - apenas um vigésimo do diâmetro do cabelo humano médio.  Dong disse que fazer as estampas tão pequenas aumenta a sensibilidade dos sensores.

(O processo, por exemplo, produziu uma imagem detalhada do Ciclone mascote do Estado de Iowa que tinha menos de 2 milímetros de diâmetro.  "Eu acho que este é provavelmente o menor ciclone de todos", disse Dong.)

"Este processo de fabricação é muito simples", disse Dong.  "Você usa apenas fita adesiva para fabricar esses sensores.  Custa apenas alguns centavos".

No caso de estudos de plantas, os sensores são feitos com óxido de grafeno, um material muito sensível ao vapor de água.  A presença de vapor de água altera a condutividade do material, e isso pode ser quantificado para medir com precisão a transpiração (a liberação de vapor de água) de uma folha.

Os sensores da planta foram testados com sucesso em experiências em laboratório e pilotos em campo, disse Dong.

Uma nova subvenção pelo período de três anos, no valor de US$ 472.363,00 concedida pela  Iniciativa para Pesquisa Agrícola e de Alimentos do Ministério da Agricultura dos Estados Unidos, permitirá outros testes de campo sobre o transporte de água em plantas de milho.  Michael Castellano, professor associado da disciplina de agronomia da Universidade Estadual de Iowa e William T.  Frankenberger, Professos em Ciência do Solo liderarão o projeto.  Os outros pesquisadores são Dong e Schnable.

A Fundação de Pesquisas da Universidade Estadual de Iowa solicitou uma patente sobre a tecnologia de sensores.  A fundação de pesquisas também concedeu uma opção para comercializar a tecnologia para a EnGeniousAg - uma startup da Ames, co-fundada por Dong, Schnable, Castellano e James Schnable (filho de Patrick Schnable)., Professor Assistente de Agronomia e Horticultura na Universidade Nebraska-Lincoln, colaborador em outro projeto de sensor do Estado de Iowa que deu início ao estabelecimento da empresa.

"A aplicação mais emocionante dos sensores em fita que testamos até agora é o sensor para plantas", disse Dong.  "O conceito de sensores eletrônicos portáteis para plantas é novo.  E os sensores de planta são tão pequenos que podem detectar a transpiração das plantas, mas não afetarão o seu crescimento nem a produção agrícola".

Mas isso não é tudo o que os sensores podem fazer. A tecnologia poderia “abrir novos caminhos” para muitas outras aplicações, escreveram os autores, incluindo sensores para diagnóstico biomédico, para verificação da integridade estrutural dos edifícios, para monitoramento do meio ambiente e, com modificações adequadas, para testar culturas para a detecção de doenças ou pesticidas.