Optimierung des Wasserbedarfs: US-Forscher nutzen 3D-Druck um Sensoren in Pflanzen zu integrieren

 9. Januar 2018  Remziye Korner  

Forscher der Iowa State University haben mit einem 3D-Drucker Sensoren aus Graphen entwickelt, um zu erforschen, wie Pflanzen Wasser für sich nutzen. Die hochsensiblen Sensoren wurden in die Pflanzen integriert, sind äußerst klein und kostengünstig. Ziel ist es unter anderem die Wassermenge für Pflanzen in der Landwirtschaft zu optimieren. Die Forscher planen den Einsatz der Sensoren aber schon bereits für andere Bereiche.

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Mit Sensoren, die auf Graphen basieren und von Forschern der Iowa State University mit 3D-Druck hergestellt wurden, können Daten über den Wasserverbrauch in Feldfrüchten gesammelt werden. Ziel ist es, Pflanzen zu entwickeln, die effizienteren Nutzen aus dem Wasser ziehen. Weitere denkbare Einsatzgebiete sind die biomedizinische Diagnostik und die Architektur.

Die Sensoren helfen dabei, dass Forscher und Landwirte neue Arten von Daten erhalten und so die natürlichen Prozesse bei Pflanzen besser verstehen. Die Ergebnisse haben sowohl akademischen, als auch kommerziellen Nutzen.

„Mit einem solchen Werkzeug können wir beginnen, Pflanzen zu züchten, die effizienter mit Wasser arbeiten“, sagt Iowa State Pflanzenwissenschaftler Patrick Schnable. „Das war früher noch nicht möglich. Jetzt können wir es messen, und anfangen es zu verstehen.“

Tattoosensoren dank 3D-Druck
Forscher der Iowa State University haben diese „Pflanzen-Tattoo-Sensoren“ entwickelt, um direkte Messungen des Wasserverbrauchs in Nutzpflanzen in Echtzeit durchzuführen (Bild © Liang Dong).

Die Studie „Wearable Electronics: High-Resolution Patterning and Transferring of Graphene-Based Nanomaterials onto Tape toward Roll-to-Roll Production of Tape-Based Wearable Sensors“ der Forscher Seval Oren, Halil Ceylan, Patrick S. Schnable und Liang Dong wurde im  Advanced Materials Technologies veröffentlicht.

Die hochsensiblen Sensoren

Ein Pflanzensensor aus Graphen hat die Form eines Kohlenstoffs und ist so dick wie ein Atom. Das Material leitet sehr gut, ist aber leider sehr schwer zu manipulieren. Das heißt, dass Wissenschaftler ständig nach neuen Wegen suchen, um das Beste aus dem Material herauszuholen.

Nun befinden sich komplizierte Graphenmuster auf einem Band, erstellt mittels 3D-Drucker. Die Ausgangslage ist ein Muster auf der Oberfläche eines Polymerblocks, entstanden durch 3D-Druck oder einen Formprozess. Als nächstes wird eine flüssige Graphenlösung auf den Block aufgebracht, die die eingebuchteten Muster füllt, wie Wasser, das durch die Kanäle fließt.
Überschüssiges Graphen kann dann mit Klebeband entfernt werden, bevor ein anderer Bandstreifen verwendet wird, um die Graphenmuster genau aus dem Block zu entfernen.

winzig kleine Sensoren auf Plfanzen
Die winzigen Sensoren werden mit Graphen hergestellt und reagieren empfindlich auf Wasserdampf.(Bild © Liang Dong).

Das Endergebnis ist ein Bandstreifen mit einem komplexen 3D-gedruckten Graphenmuster. Es entstehen hochauflösende Graphen-Anordnungen. Die äußerst empfindlichen Sensoren sind fünf Millionstel Meter breit und haben die Dicke eines Zwanzigstel von menschlichem Haar.

Kostengünstig und an vielen Orten einsetzbar

Der sehr kostengünstige Prozess spricht eine Vielzahl von Anwendern an und ist laut Liang Dong, Dozent für Elektro- und Computertechnik der Iowa State auch sehr einfach. Das Klebeband, mit dem die Sensoren verwendet werden, kostet nur wenige Cent.

Das sensible Graphenoxid reagiert sehr empfindlich auf Wasserdampf. Seine Leitfähigkeit verändert sich, wenn es auf Wasserdampf trifft. So lässt sich die Transpiration (Freisetzung von Wasserdampf) von einem Blatt genau messen. Die Pflanzensensoren, welche an der Pflanze haften, wurden erfolgreich in Labor- und Pilotversuchen getestet. Sie können noch weiter entwickelt werden, wenn die Forschergruppe ein Patent für die Sensortechnologie erhält. Eine Option für die Kommerzialisierung der Technologie wurde auch mit EnGeniousAg vereinbart, einem Startup, an dem einige der Forscher beteiligt sind.

Sensoren führen zu besseren Pflanzen
Mit den Sensoren möchten die Forscher Pflanzen entwickeln, die Wasser effizienter nutzen (Bild © TAMU).

Die Wissenschaftler sind vom Potenzial der Sensoren überzeugt. Auch in anderen Bereichen ist eine Verwendung denkbar. Die biomedizinische Diagnostik, die Überprüfung der strukturellen Integrität von Gebäuden, die Überwachung der Umwelt und die Untersuchung von Pflanzen auf Krankheiten oder Pestizide sind Aktivitäten, die man mit dieser Technologie noch besser machen kann.

„Die aufregendste Anwendung der Band-basierten Sensoren, die wir bisher getestet haben, ist der Pflanzensensor“, sagt Dong. „Das Konzept der tragbaren elektronischen Sensoren für Pflanzen ist brandneu. Und die Pflanzensensoren sind so winzig, dass sie die Transpiration von Pflanzen erkennen können, aber sie werden weder das Pflanzenwachstum noch die Pflanzenproduktion beeinflussen.“

Der 3D-Druck hat sich schon oft als nützlich erwiesen, wenn es um die Erforschung von Pflanzen ging. Auch urbane Landwirtschaft ist mit 3D-Druck umsetzbar. Sobald es Neuigkeiten über weitere Anwendungsbereiche der Sensoren geben, werden wir darüber berichten. Abonnieren Sie unseren Newsletter und bleiben Sie auf dem Laufenden.

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