Svaret på den växande, världsomspännande livsmedelsproduktionsproblem kan ha en liten lösning – nanopartiklar, som undersöks som både gödningsmedel och fungicider för grödor.

NanoFARM; ett forskningskonsortium bildat mellan Carnegie Mellon University, University of Kentucky, universitetet i Wien, och Aveiro University i Prag; studerar nanopartiklars effekter på jordbruket. De fyra universiteten fick bidrag från sina länders respektive National Science Foundations för att upptäcka hur dessa små partiklar – bara 4 nanometer i diameter – kan revolutionera hur bönder odlar sin mat.

"Vad vi gör är att få en grundläggande förståelse för nanopartikel-till-växt-interaktioner för att möjliggöra framtida förståelser, " säger CEE-professor Greg Lowry, huvudutredaren för nanoFARM-projektet. "Med bekämpningsmedel, mindre än 5 % går till grödan – resten går bara ut i miljön och gör skadliga saker. Det vi försöker göra är att minimera detta avfall och motsvarande miljöskador genom att göra ett bättre jobb med att rikta in leveransen."

Teamen tittar på dubbla mål:Hur mycket nanomaterial behövs för att hjälpa grödor när det gäller att driva bort skadedjur och leverera näringsämnen, och hur mycket kan potentiellt skada växter eller omgivande ekosystem?

Applicerade bekämpningsmedel och gödningsmedel är känsliga för att sköljas bort - särskilt om det kommer ett regnväder strax efter appliceringen. Men nanopartiklar tvättas inte så lätt bort, vilket gör dem extremt effektiva för att leverera mikronäringsämnen som zink eller koppar till grödor.

"Om du lägger zinksalt i vatten kommer det att lösas upp snabbt, säger doktorand Xiaoyu Gao, som har varit med NanoFARM sedan starten. "Om du lägger i zinkoxidnanopartiklar istället, det kan ta dagar eller veckor att lösas upp, ger en långsam, långsiktigt leveranssystem."

Gao forskar om hastigheten med vilken nanopartiklar löses upp. Hans senaste upptäckt är att nanopartiklar av kopparoxid tar upp till 20-30 dagar att lösas upp i jorden, vilket innebär att de levererade näringsämnen till växter i en jämn takt under den tidsperioden.

"I utvecklingsländer som Kina och Indien, ett stort antal människor svälter, " säger Gao. "Den här typen av teknik kan hjälpa till att ge mat och spara energi."

Men Gaos forskning är bara en del av NanoFARM-pusslet. Lowry reste nyligen till Australien med Ph.D. student Eleanor Spielman-Sun för att utforska hur olika laddade nanopartiklar absorberades i veteväxter.

De lärde sig att negativt laddade partiklar kunde flytta in i venerna på en växt - vilket gör dem till en bra passform för en bonde som ville använda en svampdödande medel. Neutralt laddade partiklar gick in i bladvävnaden, vilket skulle vara fördelaktigt för odlare som ville berika ett livsmedel med näringsvärde.

Lowry sa att de fortfarande är långt ifrån att skriva under på en färdig produkt för alla grödor - just nu koncentrerar de sig på tomat- och veteplantor. Men med hjälp av sina universitetspartners, de skapar sakta system för mer forskning.