I sensori a base di carta si stanno affermando come una soluzione economica ed efficiente per monitorare la produzione e la conservazione delle colture. Le serre e le fattorie aperte che permettono ai visitatori di acquistare prodotti freschi locali e carne sono diventate sempre più rilevanti per la produttività agricola. Non solo i coltivatori cercano soluzioni per monitorare le condizioni che favoriscano la crescita delle colture nelle serre, ma anche mantenere i cibi freschi durante la conservazione è una preoccupazione importante. In questo contesto, la tecnologia dei sensori intelligenti, che monitora e controlla temperatura e umidità, gioca un ruolo fondamentale per produrre cibo sufficiente a soddisfare le crescenti necessità della popolazione mondiale.
Nel Journal of Laser Applications, pubblicato da AIP Publishing, i ricercatori dell’Università di Auburn, in Alabama, hanno presentato sensori di temperatura e umidità a base di carta che si distinguono per precisione, affidabilità e sostenibilità ambientale.
La Sfida dei Sensori Sostenibili per l’Agricoltura
La necessità di misurare temperatura e umidità in varie condizioni di coltivazione ha portato allo sviluppo di numerosi sensori. Tuttavia, garantire che questi dispositivi siano efficaci e al contempo eco-compatibili e economici rappresenta una sfida.
“In anni recenti, l’agricoltura è stata pesantemente influenzata dai cambiamenti drastici dei fattori ambientali, come umidità e temperatura, aumentando la necessità di soluzioni innovative per migliorare la produttività e la qualità con il minimo impatto ambientale,” ha spiegato Masoud Mahjouri-Samani, uno degli autori della ricerca.
Tecnologie di Stampa per Sensori Flessibili
I sensori elettronici flessibili vengono prodotti rapidamente e facilmente grazie a tecniche di stampa avanzate come la stampa a getto d’inchiostro, la stampa a aerosol-jet, la stampa rotocalco e la serigrafia. Tuttavia, a causa della natura liquida di queste tecniche e della loro incompatibilità con materiali biodegradabili, la maggior parte della produzione viene realizzata su plastiche non biodegradabili.
La carta, invece, rappresenta un’ottima alternativa ai materiali plastici tradizionali. Le sue fibre di cellulosa offrono una superficie porosa, ed è sia biodegradabile che abbondante.
Sensori Realizzati con Carta e Nanomanifattura Additiva
Il team di ricerca ha sviluppato sensori di temperatura e umidità stampando linee d’argento su quattro tipi di carta commerciale mediante un processo chiamato nanomanifattura additiva secca. I cambiamenti nell’abilità di immagazzinare energia elettrica, chiamata capacità, e nella resistività degli elettrodi stampati vengono monitorati per determinare le variazioni di temperatura e umidità. Quando la carta assorbe il vapore acqueo, viene misurato il cambiamento di capacità, che riflette l’umidità relativa dell’ambiente.
Il meccanismo di rilevamento della temperatura si basa su cambiamenti di resistenza: all’aumentare della temperatura, il conduttore metallico aumenta la sua resistività.
Affidabilità ed Eco-Compatibilità dei Sensori
I sensori si sono rivelati affidabili e sensibili ai cambiamenti nei livelli di temperatura e umidità, riuscendo a rilevare variazioni di umidità relativa tra il 20% e il 90% e variazioni di temperatura tra 25 °C e 50 °C. Inoltre, questi sensori biodegradabili sono economici, riutilizzabili e, quando necessario, possono essere smaltiti in sicurezza.
“Integrando tecniche avanzate come la nanomanifattura additiva secca con substrati biodegradabili, questa ricerca unisce funzionalità e responsabilità ambientale, affrontando la crescente preoccupazione per lo smaltimento dei dispositivi elettronici,” ha affermato Mahjouri-Samani. “Questo approccio ha il potenziale di trasformare le pratiche agricole intelligenti, permettendo un monitoraggio preciso dei fattori chiave nella crescita delle piante.”
Conclusioni e Prospettive Future
Lo studio evidenzia come l’uso della carta come base per i sensori possa ridurre l’impatto ambientale, offrendo soluzioni che potrebbero essere applicate in agricoltura per monitorare in modo preciso e sostenibile le condizioni ambientali, migliorando la produttività delle colture e riducendo i rifiuti elettronici. La ricerca, pubblicata da Suman Jaiswal, Adib Taba, Aarsh Patel e Masoud Mahjouri-Samani, disponibile nel Journal of Laser Applications a partire dal 21 gennaio 2025.
