Innovatieve sensor kan op plantenblad geprint worden

Engineers van het Massachusetts Institute of Technology hebben weer een bijzondere doorbraak bereikt. Ze hebben sensoren ontwikkeld die op het blad van een plant geprint kunnen worden. De sensoren geven een seintje als er een watertekort ontstaat. Deze techniek kan niet alleen verwaarloosde kamerplanten redden maar, belangrijker nog, telers op tijd een waarschuwing geven als hun gewassen gevaar lopen vanwege een watertekort.

Als de bodem uitdoogt, wordt het groeiproces van planten vertraagt, neemt de fotosynthetische activiteit af en beschadigt het weefsel van de planten. Sommige planten beginnen dan te verwelken maar er zijn ook planten waar bijna niks aan te zien is. Vaak is het dan al te laat.

Stomata van de plant

De nieuwe sensoren van MIT maken gebruikt van de stomata (huidmondjes) van de plant: dit zijn kleine poriën in het oppervlak van een blad waardoor water kan verdampen. Als water van het blad verdampt, daalt de waterdruk in de plant waardoor water uit de bodem kan worden getrokken: een proces dat transpiratie wordt genoemd. Plantbiologen weten dat de stomata zich openen als ze worden blootgesteld aan licht en zich sluiten in het donker, maar de dynamieken van dit mechanisme zijn nog niet veel onderzocht.

‘We weten al dat stomata reageren op licht, op de concentratie CO2 en op droogte maar nu hebben we de mogelijkheid gehad om het continu te monitoren’, zegt hoofdauteur Volodymyr Koman. ‘Voorgaande methoden waren niet in staat om dit soort informatie te geven.’

Inkt en elektriciteit 

Om de sensor te creëren, hebben de wetenschappers een inkt gebruikt die gemaakt is van koolstof nanobuisjes; kleine holle buisjes van koolstof die elektriciteit geleiden – opgelost in een organische verbinding genaamd natriumdodecylsulfaat, die de huidmondjes niet beschadigt. De inkt kan over de porie heen worden geprint waardoor een elektronisch circuit tot stand komt. Als de porie zich sluit, is het circuit intact en kan de stroom worden gemeten met een multimeter. Als de porie zcih opent, wordt het circuit verbroken en stopt de stroming. Daardoor kunnen de onderzoekers heel precies meten wanneer een porie opent en sluit. Door dit openen en sluiten een paar dagen – bij normale en droge condities – achter elkaar te meten, ontdekten de onderzoekers dat ze bninnen twee dagen kunnen detecteren of een plant water tekort komt. Ze ontdekten dat het stomata ongeveer zeven minuten kost om zich te openen na blootstelling aan licht en 53 minuten om te sluiten als het donker wordt, maar deze reacties veranderen in droge condities. Als de planten water tekort komen, kost het de stomata 25 minuten om te openen, terwijl de tijd om te sluiten terugloopt tot 45 minuten.

De onderzoekers hebben de sensoren getest op de zogenoemde lepelplant, vooral omdat deze grote stomata heeft. Om de inkt op de bladen aan te brengen, had het team een drukvorm ontwikkeld met een microfluïdisch kanaal. Als de vorm op een blad geplaatst wordt, wordt de inkt dat door het kanaal stroomt, op het bladoppervlak aangebracht. De wetenschappers werken nu aan een nieuwe manier om de elektronische circuits aan te brengen, namelijk door het simpelweg plaatsen van een sticker op het bladoppervlak. Met name die manier kan handig zijn voor telers en agriculturele producenten, ook met het ook om toekomstige klimaatveranderingen (waaronder meer droogtes). 

Snelle indicatie 

‘Het lijkt erop dat dit de vroegste indicator van droogte is die er voor agriculutrele applicaties bestaat’, aldus Michael Strano, een van de betrokken wetenschappers. ‘Het is moeilijk om deze informatie op een andere manier te verkrijgen. Je kunt sensoren in de grond stoppen en satellieten en mapping gebruiken, maar daarmee zul je nooit precies weten wat een specifieke plant als het waterpotentieel detecteert.’
Er wordt al samengewerkt met een grote agriculturele producent om deze sensoren voor telers te maken. Strano denkt dat de technologie ook nuttig kan zijn voor tuinders en stadsboeren. Daarnaast kan het onderzoekers helpen om nieuwe manieren te ontdekken voor het ontwikkelen van droogte-resistente planten.

Door: Kelly Bakker

Bron + foto: MIT