ابتكر العلماء مستشعرًا مثبتًا على شريط لاصق لأوراق النبات. يقيس كمية المياه التي يشربها النبات من التربة. من خلال هذه المعلومات ، سيعرف مربو النباتات الأفراد الذين يجب اختيارهم كمخزون أم للمحاصيل التي يمكن أن تنجو من الجفاف من خلال تحقيق أقصى استفادة من المياه المتاحة. هذا مهم لأنه مع ارتفاع درجة حرارة مناخ الأرض ، من المتوقع أن تصبح فترات الجفاف الشديد أكثر شيوعًا.
قاد Liang Dong الفريق الذي طور جهاز الاستشعار الجديد. يعمل في جامعة ولاية أيوا في أميس. بصفته مهندسًا كهربائيًا ، فهو يصمم ويبني ويحلل الأنظمة الكهربائية لتلبية الاحتياجات الخاصة.
يسمي دونغ جهاز الاستشعار الخاص به "وشم نبات". وهي عبارة عن قطعة من شريط لاصق شفاف مضمن بتصميم يشبه الوشم مصنوع من طبقات متعددة من رقائق الجرافين. الجرافين عبارة عن لوح من الكربون بسمك ذرة واحدة فقط. إنه ليس رائعًا في توصيل الكهرباء فحسب ، بل إنه قوي ميكانيكيًا أيضًا ، مما يعني أنه لن يتفكك بسهولة.
عندما السندات الكربون مع نفسها لتشكيل الجرافين ، كل طبقة رقيقة للغاية بحيث لا يمكنك حتى رؤيتها. نمط الوشم مرئي لأنه مصنوع من عدة طبقات.
بالنسبة للوشم ، كان من المهم وضع الجرافين بنمط بدلاً من صفيحة موحدة. توصل أنماط معينة الكهرباء أفضل من غيرها. استخدم دونغ الصيغ الرياضية لاكتشاف الأنماط التي يجب أن تعمل بشكل أفضل.
عند لصق الوشم على ورقة النبات ، يمكن ربطه بأسلاك صغيرة. تتصل هذه البطاريات بجهاز يمكنه قياس التيار الكهربائي. ترسل البطارية تيارًا عبر الجرافين. سيتغير هذا التيار اعتمادًا على مدى سرعة تحرك الماء أعلى النبات. سيكشف هذا عن مدى سرعة شرب النبات للرطوبة من التربة.
وصف دونغ وفريقه أجهزة الاستشعار الخاصة بهم في إصدار ديسمبر 2017 من تقنيات المواد المتقدمة .
كيف فعلوا ذلك
كانت الخطوة الأولى في صنع الوشم الجديد هي صنع قالب من كتلة بلاستيكية. يوضح دونغ:"قمنا بعمل مسافات بادئة وقنوات في الكتلة ثم سكبنا محلول الجرافين عليها".
بمجرد أن يجف الجرافين إلى رقائق ، استخدم دونغ شريطًا لإزالة الفائض من سطح الكتلة. ثم وضع قطعة ثانية من الشريط وضغط عليها بقوة. عندما رفعه مرة أخرى ، كان الجرافين عالقًا الآن على الشريط.
أجرى دونج وفريقه تجارب على مركبات مختلفة تم إنشاؤها باستخدام الجرافين واستقروا على مركب يسمى أكسيد الجرافين. إنه مركب من الكربون والأكسجين شديد الحساسية للرطوبة. عندما يتلامس مع بخار الماء ، فإن السرعة التي تتحرك بها الشحنة أو التيار الكهربائي عبر أكسيد الجرافين تتباطأ.
هذه سمة مفيدة. عندما تمتص النباتات الماء من التربة ، يتسرب بخار الماء من ثقوب صغيرة في أوراقها تسمى الثغور . من خلال قياس مقدار تباطؤ التيار الكهربائي بعد التصاق المستشعر بأوراق النبات ، يمكن للباحثين معرفة مدى سرعة النبات في امتصاص الماء.
قام الباحثون بتجربة مستشعر النبات باستخدام نبات الذرة. قاموا بقياس الوقت الذي يستغرقه نوعان من نباتات الذرة لنقل الماء من جذورهما إلى أوراقهما السفلية ، ثم إلى أوراقهما العليا. بالنسبة لنبات واحد ، استغرق الأمر 80 دقيقة ، في المتوسط ، لنقل الماء من الورقة الرابعة إلى التاسعة. المصنع الآخر فعل ذلك في 28 دقيقة فقط.
إليزابيث لي عالمة نباتات في كندا بجامعة جيلف في أونتاريو. يقول خبير الذرة هذا أن بعض أنواع الذرة تغلق ثغور أوراقها بشكل أسرع من غيرها عندما تكون التربة جافة. هذا يساعدهم في الحفاظ على المياه وتحملهم بشكل أفضل للجفاف.
يُعد المستشعر الجديد "طريقة رائعة للتعرف بسهولة على الأنواع الأفضل التي تحافظ على المياه" ، كما يلاحظ لي. قد يرغب المربون في التركيز على هذه الأنواع عند تطوير أصناف تتحمل الجفاف .
يقول دونغ إن الخطوة التالية في بحثه هي استخدام المستشعر لمعرفة كيف يؤثر استخدام المحصول للمياه في عدد حبات الذرة التي يتم إنتاجها ومقدار حجمها.
يقول:"الهدف النهائي لعملنا هو تطوير محاصيل تتحمل الجفاف يمكنها التعامل مع تغير المناخ".
