Iowa State Universitys växtforskare Patrick Schnable beskrev snabbt hur han mätte tiden det tar för två sorters majsväxter att flytta vatten från sina rötter, till deras nedre blad och sedan till deras övre blad.

Detta var inget tekniskt, exakt, affischprat. Det här var en forskare som var intresserad av att arbeta med nya, låg kostnad, lätt att tillverka, grafenbaserad, sensorer-på-tejp som kan fästas på växter och kan ge nya typer av data till forskare och lantbrukare.

"Med ett sådant här verktyg, vi kan börja föda upp växter som är mer effektiva i att använda vatten, " sa han. "Det är spännande. Vi kunde inte göra det här tidigare. Men, när vi kan mäta något, vi kan börja förstå det. "

Verktyget som gör dessa vattenmätningar möjliga är en liten grafensensor som kan tejpas på växter - forskare har kallat den för en "växttatueringssensor". Grafen är ett undermaterial. Det är en kolhonungskaka bara en atom tjock, den är bra på att leda el och värme, och den är stark och stabil. Grafen-på-tejp-tekniken i denna studie har också använts för att producera bärbara spännings- och trycksensorer, inklusive sensorer inbyggda i en "smart handske" som mäter handrörelser.

Forskare beskriver de olika sensorerna och den "enkla och mångsidiga metoden för att mönstra och överföra grafenbaserade nanomaterial" för att skapa de flexibla sensorerna i en artikel som visas på omslaget till decembernumret av tidskriften 2017 Avancerad materialteknik .

Forskningen har främst stötts av Faculty Scholars Program vid Iowa State Plant Sciences Institute.

Liang Dong, en docent i Iowa State i el- och datateknik, är huvudförfattare till tidningen och utvecklare av tekniken. Seval Oren, doktorand i el- och datateknik, är en medförfattare som hjälpte till att utveckla sensortillverkningstekniken. Medförfattare som hjälpte till att testa tillämpningar av sensorerna är Schnable, chef för Iowa State's Plant Sciences Institute, en Charles F. Curtiss Distinguished Professor in Agriculture and Life Sciences, Iowa Corn Promotion Board endowed ordförande i genetik och Baker Scholar of Agricultural Entrepreneurship; och Halil Ceylan, en professor i civil, bygg- och miljöteknik.

"Vi försöker göra sensorer som är billigare och fortfarande högpresterande, "Sa Dong.

Att göra det, forskarna har utvecklat en process för att tillverka invecklade grafenmönster på tejp. Dong sa att det första steget är att skapa indragna mönster på ytan av ett polymerblock, antingen med en formningsprocess eller med 3D-utskrift. Ingenjörer applicerar en flytande grafenlösning på blocket, fylla de indragna mönstren. De använder tejp för att ta bort överflödigt grafen. Sedan tar de en till tejpremsa för att dra bort grafenmönstren, skapa en sensor på bandet.

Processen kan producera exakta mönster så små som 5 miljondelar av en meter breda - bara en tjugondel av diametern på ett genomsnittligt människohår. Dong sa att att göra mönstren så små ökar sensorernas känslighet.

(Processen, till exempel, producerade en detaljerad bild av Iowa State's Cyclone maskot som var mindre än 2 millimeter över. "Jag tror att det här förmodligen är den minsta cyklonen, "Sa Dong.)

"Denna tillverkningsprocess är väldigt enkel, ", sa Dong. "Du använder bara tejp för att tillverka dessa sensorer. Kostnaden är bara cent. "

När det gäller växtstudier, sensorerna är gjorda med grafenoxid, ett material som är mycket känsligt för vattenånga. Närvaron av vattenånga förändrar materialets ledningsförmåga, och som kan kvantifieras för att exakt mäta transpiration (utsläpp av vattenånga) från ett löv.

Anläggningssensorerna har framgångsrikt testats i laboratorie- och pilotfältsexperiment, sa Dong.

Ett nytt treår, $472, 363-anslag från U.S. Department of Agricultures Agriculture and Food Research Initiative kommer att stödja fler fälttester av vattentransport i majsväxter. Michael Castellano, en Iowa State docent i agronomy och William T. Frankenberger professor i markvetenskap, kommer att leda projektet. Medutredare inkluderar Dong och Schnable.

Iowa State University Research Foundation har ansökt om patent på sensortekniken. Forskningsstiftelsen har också beviljat EnGeniousAg - ett Ames startup -företag som grundades av Dong, en möjlighet att kommersialisera tekniken. Schnable, Castellano och James Schnable, en biträdande professor i agronomy och trädgårdsodling vid University of Nebraska-Lincoln, en samarbetspartner i ett annat sensorprojekt i Iowa State som utlöste etableringen av företaget (och Patrick Schnables son).

"Den mest spännande tillämpningen av de tejpbaserade sensorerna vi har testat hittills är anläggningssensorn, "Dong sa. "Konceptet med bärbara elektroniska sensorer för växter är helt nytt. Och växtsensorerna är så små att de kan upptäcka transpiration från växter, men de kommer inte att påverka växttillväxt eller växtproduktion."

Men det är inte allt sensorerna kan göra. Tekniken kan "öppna en ny väg" för en mängd olika applikationer, författarna skrev i sin artikel, inklusive sensorer för biomedicinsk diagnostik, för att kontrollera byggnaders strukturella integritet, för att övervaka miljön och, efter lämpliga ändringar, för att testa grödor för sjukdomar eller bekämpningsmedel.