Gli scienziati della Iowa State University stanno usando la stampa 3D per realizzare sensori basati su grafene su nastro che possono essere usati per raccogliere dati sull’uso dell’acqua nelle colture. I sensori potrebbero essere utilizzati anche in diagnostica biomedica, architettura e altri campi.
Con una tecnologia in grado di produrre modelli precisi di grafene di soli 5 milionesimi di larghezza, ci si potrebbe chiedere perché l’Iowa State University stia usando questa tecnologia per produrre “sensori ” per le piante.
La risposta sta nella raccolta dei dati. Collegando sensori-on-tape basati su grafene alle piante, gli scienziati dello Iowa State possono fornire nuovi tipi di dati a ricercatori e agricoltori, aiutandoli a comprendere meglio i processi naturali dietro le piante e sfruttando tali conoscenze per produrre risultati migliori, accademici o commerciali .
“Con uno strumento come questo, possiamo iniziare a crescer piante che sono più efficienti nell’utilizzare l’acqua”, afferma lo scienziato botanico dello Stato dell’Iowa Patrick Schnable. “Non potevamo farlo prima. Ma una volta che possiamo misurare qualcosa, possiamo cominciare a capirlo. ”
Il piccolo sensore della pianta è costituito da grafene, una forma di carbonio densa di atomi che è forte e stabile e un grande conduttore. È un materiale molto utile, ma relativamente difficile da manipolare, il che significa che gli scienziati sono costantemente alla ricerca di nuovi modi per ottenere il massimo dal materiale.
I ricercatori dello Iowa State hanno tentato di produrre intricati pattern di grafene su nastro e lo hanno fatto con l’aiuto della stampa 3D.
Il processo inizia con uno degli scienziati che crea pattern indentati sulla superficie di un blocco polimerico, usando 
una stampante 3D o un processo di stampaggio. Questo fornisce il punto di partenza. Successivamente, una soluzione di grafene liquido viene applicata al blocco, riempiendo i disegni dentellati come l’acqua che scorre attraverso i canali.
L’eccesso di grafene può quindi essere rimosso con del nastro, prima che venga utilizzata un’altra striscia di nastro per rimuovere con precisione i motivi del grafene dal blocco. Il risultato finale è una striscia di nastro con un complesso grafene stampato in 3D.
È un processo che può comportare arrangiamenti di grafene ad alta risoluzione. Modelli con una larghezza di 5 milionesimi di metro o un ventesimo di larghezza di un capello umano possono essere realizzati utilizzando il processo, ottenendo sensori con un alto livello di sensibilità.
È anche un processo molto conveniente, che potrebbe renderlo attraente per una varietà di utenti: “Questo processo di fabbricazione è molto semplice”, afferma Liang Dong, professore associato di ingegneria elettrica e informatica allo Iowa State e autore principale dell’articolo. “Basta usare il nastro per fabbricare questi sensori. Il costo è di soli centesimi. ”
Quando si creano i sensori per le piante, i ricercatori usano l’ossido di grafene, che è altamente sensibile al vapore acqueo, cambiando la sua conduttività in risposta alla presenza di vapore acqueo. Ciò significa che i sensori possono essere utilizzati per misurare accuratamente la traspirazione (rilascio di vapore acqueo) da una foglia.
I sensori di tipo stick-on sono stati testati con successo in esperimenti di laboratorio e in campo pilota e potrebbero essere ulteriormente sviluppati se il gruppo di ricerca riceve un brevetto per la tecnologia dei sensori. Un’opzione per la commercializzazione della tecnologia è stata anche concordata con EnGeniousAg, una startup che ha coinvolto alcuni dei ricercatori.
Gli scienziati sono fiduciosi sul potenziale dei sensori di grafene, che possono essere utilizzati per applicazioni oltre alla ricerca sulle colture. La diagnostica biomedica, il controllo dell’integrità strutturale degli edifici, il monitoraggio dell’ambiente e la sperimentazione di colture per malattie o pesticidi sono tutte attività che potrebbero essere migliorate con la tecnologia.
Per ora, tuttavia, i ricercatori vogliono concentrare la maggior parte della loro energia sui sensori di impianto che hanno sviluppato.
“L’applicazione più eccitante dei sensori basati su nastro che abbiamo testato finora è il sensore dell’impianto”, afferma Dong. “Il concetto di sensori elettronici indossabili per impianti è nuovo di zecca. E i sensori delle piante sono così piccoli da poter rilevare la traspirazione dalle piante, ma non influenzeranno la crescita delle piante o la produzione di colture “.
Lo studio dei ricercatori, “Wearable Electronics: Patterning ad alta risoluzione e trasferimento di nanomateriali basati su grafene su nastro per la produzione roll-to-roll di sensori indossabili basati su nastro” è stato pubblicato su Advanced Materials Technologies . I suoi autori furono Seval Oren, Halil Ceylan, Patrick S. Schnable e Liang Dong.