Инженеры Массачусетского технологического института создали датчики, которые можно напечатать на листьях растений и определить, когда растения испытывают нехватку воды. Такая технология может не только спасти запущенные комнатные растения, но, что более важно, дать фермерам раннее предупреждение, когда их урожай окажется в опасности, говорит Майкл Страно, профессор химической инженерии Carbon P. Dubbs в Массачусетском технологическом институте и старший автор нового исследования. .«Это, по-видимому, самый ранний индикатор засухи, который у нас есть для сельскохозяйственных работ», — говорит Страно. «Трудно получить эту информацию каким-либо другим способом.
Вы можете поместить датчики в почву, или вы можете сделать спутниковые изображения и картографирование, но вы никогда не знаете, что конкретное растение определяет как потенциал воды».Страно уже начал работать с крупным сельскохозяйственным производителем над разработкой этих датчиков для использования на сельскохозяйственных культурах, и он считает, что эта технология также может быть полезна садоводам и городским фермерам.
По его словам, это также может помочь исследователям разработать новые способы создания засухоустойчивых растений.Владимир Коман, постдок из Массачусетского технологического института, является ведущим автором статьи, которая опубликована в онлайн-выпуске журнала Lab on a Chip от 8 ноября.Датчики для печатиКогда почва высыхает, растения замедляют свой рост, снижают фотосинтетическую активность и повреждают ткани.
Некоторые растения начинают увядать, но другие не проявляют видимых признаков проблемы, пока им не будет нанесен значительный вред.Новый датчик MIT использует устьица растений — маленькие поры на поверхности листа, которые позволяют воде испаряться. Когда вода испаряется с листа, давление воды в растении падает, позволяя ему вытягивать воду из почвы посредством процесса, называемого транспирацией.
Биологи растений знают, что устьица открываются на свету и закрываются в темноте, но динамика этого открытия и закрытия мало изучена, потому что не было хорошего способа напрямую измерить их в реальном времени.«Люди уже знали, что устьица реагируют на свет, концентрацию углекислого газа и засуху, но теперь мы можем постоянно контролировать это», — говорит Коман. «Предыдущие методы не могли предоставить такую ??информацию».Для создания сенсора исследователи Массачусетского технологического института использовали чернила из углеродных нанотрубок — крошечных полых углеродных трубок, проводящих электричество, — растворенных в органическом соединении, называемом додецилсульфатом натрия, которое не повреждает устьица. Этими чернилами можно наносить печать через поры для создания электронной схемы.
Когда пора закрыта, цепь не повреждена, и ток можно измерить, подключив цепь к устройству, называемому мультиметром. Когда пора открывается, цепь разрывается, и ток перестает течь, что позволяет исследователям очень точно измерять, когда отдельная пора открыта или закрыта.Измеряя это открытие и закрытие в течение нескольких дней в нормальных и сухих условиях, исследователи обнаружили, что они могут обнаружить в течение двух дней, когда растение испытывает водный стресс.
Они обнаружили, что устьицам требуется около семи минут, чтобы открыться после воздействия света, и 53 минуты, чтобы закрываться с наступлением темноты, но эти реакции меняются в сухих условиях. Когда растения лишены воды, исследователи обнаружили, что устьица открываются в среднем за 25 минут, а время, необходимое для закрытия устьиц, падает до 45 минут.Предупреждение о засухеДля этого исследования исследователи протестировали датчики на растении под названием мирная лилия, которое они выбрали отчасти потому, что у него большие устьицы.
Чтобы нанести чернила на листья, исследователи создали печатную форму с микрожидкостным каналом. Когда форма помещается на лист, чернила, текущие через канал, осаждаются на поверхности листа.
Команда Массачусетского технологического института сейчас работает над новым способом применения электронных схем, просто наклеив наклейку на поверхность листа. Исследователи предполагают, что помимо крупных сельхозпроизводителей такое устройство может заинтересовать садоводов и городских фермеров.«Это может иметь большие последствия для сельского хозяйства, особенно в связи с изменением климата, когда у вас будет нехватка воды и изменения температуры окружающей среды», — говорит Коман.
В смежной работе лаборатория Страно изучает возможность создания массивов этих датчиков, которые можно было бы использовать для обнаружения света и захвата изображений, как камера.