Cảm biến mới xác định thời điểm cây ở trong điều kiện khô hạn

Các kỹ sư tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã chế tạo được loại cảm biến có thể in trên lá cây và tiết lộ thời điểm cây bị thiếu nước. Công nghệ này không chỉ giúp cứu sống cây trồng bị bỏ quên mà quan trọng hơn là cảnh báo sớm cho nông dân khi nào cây trồng bị nguy hiểm.

Michael Strano, Giáo sư về Kỹ thuật hóa học và là đồng tác giả nghiên cứu đã phối hợp với một công ty nông nghiệp để chế tạo cảm biến sử dụng cho cây trồng và tin rằng công nghệ này cũng sẽ hữu ích cho người làm vườn và “người dân nông dân” đô thị. Công nghệ cũng có thể giúp các nhà nghiên cứu phát triển những phương thức mới để tạo ra các giống cây trồng chịu hạn.

Cảm biến in

Khi đất khô, cây trồng sẽ phát triển chậm, hoạt động quang hợp của cây giảm và khiến cho mô bị tổn thương. Một số cây trồng bắt đầu héo, nhưng một số khác lại không có dấu hiệu gặp rắc rối cho đến khi chúng bị tổn thương nặng.

Cảm biến mới tận dụng các khí hổng của cây - các lỗ nhỏ trên mặt lá cho phép nước bốc hơi. Khi nước bốc hơi từ lá, áp lực nước trong cây giảm, cho phép cây hút nước từ đất thông qua quá trình gọi là thoát hơi nước. Các nhà sinh vật học thực vật đều biết rằng khí khổng mở ra khi tiếp xúc với ánh sáng và khép lại trong điều kiện bóng tối, nhưng đặc trưng này ít được nghiên cứu vì chưa có phương thức nào hiệu quả để trực tiếp đo đạc trong thời gian thực.

Để chế tạo cảm biến, các nhà nghiên cứu đã sử dụng mực in được làm từ ống nano cacbon - ống cacbon nhỏ rỗng dẫn điện - hòa tan trong hợp chất hữu cơ sodium dodecyl sulfate, không gây tổn hại cho khí khổng. Mực có thể được in trên một lỗ rỗng để tạo ra mạch điện tử. Khi lỗ rỗng khép lại, mạch vẫn không bị ảnh hưởng và có thể đo dòng điện bằng cách kết nối mạch với đa năng kế. Khi lỗ rỗng mở ra, mạch hỏng và dòng điện bị ngắt, cho phép các nhà nghiên cứu xác định rất chính xác thời điểm lỗ rỗng mở ra hoặc khép lại.

Thông qua xác định chu kỳ mở và khép của lỗ rỗng trong vài ngày ở điều kiện bình thường và khô, các nhà nghiên cứu có thể phát hiện ra thời điểm cây trải qua tình trạng thiếu nước diễn ra trong hai ngày. Mất đến 7 phút để khí khổng mở ra sau khi tiếp xúc với ánh sáng và cần có 53 phút để khí khổng khép lại khi có tác động của bóng tối, nhưng những phản ứng này thay đổi trong điều kiện khô hạn. Khi cây trồng bị thiếu nước, khí khổng mất trung bình 25 phút để mở ra, trong khi thời gian khép lại giảm còn 45 phút.

Michael McAlpine, Phó giáo sư kỹ thuật cơ khí tại trường Đại học Minnesota cho rằng: "Đây là nghiên cứu thú vị vì mở ra khả năng in trực tiếp các thiết bị điện tử lên thực vật để theo dõi lâu dài các phản ứng sinh lý thực vật đối với các yếu tố môi trường như hạn hán".

Cảnh báo khô hạn

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm các cảm biến trên cây hoa loa kèn vì loài hoa này có khí khổng lớn. Để in mực vào lá cây, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một khuôn in có rãnh vi lưu. Khi khuôn được đặt trên lá, mực chảy qua rãnh được lắng đọng trên bề mặt lá.

Các nhà khoa học hiện đang nghiên cứu một phương thức mới để tạo ra các mạch điện tử chỉ bằng cách gắn nhãn dán trên bề mặt lá. Ngoài các công ty nông nghiệp quy mô lớn, người làm vườn và người nông dân đô thị có thể sẽ quan tâm đến thiết bị này. Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu đang khám phá ra phương thức chế tạo loại cảm biến này để phát hiện ánh sáng và chụp ảnh, giống như máy ảnh.