Vetenskap handlar om stora idéer som förändrar världen. Men ibland, stora effekter kommer från de minsta föremål.

Nanoteknik kan låta som science fiction, men det representerar teknologier som har utvecklats i decennier. Nanoteknologiska tillvägagångssätt har hittat verkliga tillämpningar inom ett brett spektrum av områden, från kompositmaterial i textilier till jordbruk.

Jordbruk är en av de äldsta mänskliga uppfinningarna, men nanotech tillhandahåller moderna innovationer som dramatiskt kan förbättra effektiviteten i vår livsmedelsförsörjning och minska miljöpåverkan från dess produktion.

Jordbruket kommer med kostnader som bönderna bara är alltför bekanta med:grödor kräver avsevärda mängder vatten, mark och bränsle att producera. Gödningsmedel och bekämpningsmedel behövs för att uppnå den nödvändiga höga skörden, men deras användning kommer med miljömässiga biverkningar, trots att många bönder utforskar hur ny teknik kan minska deras påverkan.

De minsta föremålen

Nanoteknik är vetenskapen om föremål som är några nanometer – miljarddelar av en meter – över. I denna storlek, föremål får unika egenskaper. Till exempel, ytarean på en svärm av partiklar i nanoskala är enorm jämfört med samma massa som samlats in i en enda storskalig klump.

Att variera storleken och andra egenskaper hos objekt i nanoskala ger oss en oöverträffad förmåga att skapa precisionsytor med mycket anpassade egenskaper.

Använda partiklar

Traditionellt, att applicera kemikalier innebär att först blanda de aktiva ingredienserna i vatten och sedan spraya blandningen på grödor. Men ingredienserna blandas inte lätt, vilket gör detta till en ineffektiv process som kräver stora mängder vatten.

För att förbättra effektiviteten och minska miljöpåverkan, bönder behöver sina gödningsmedel och bekämpningsmedel för att nå sina grödor och absorberas i växten precis där de behövs – i rötterna eller löven, till exempel. Helst de kunde använda precis tillräckligt med kemikalier för att öka grödans skörd eller skydda den från attack eller infektion, vilket skulle förhindra att överskottet går till spillo.

Skräddarsydda system i nanoskala kan använda precisionskemi för att uppnå högeffektiv leverans av gödningsmedel eller bekämpningsmedel. Dessa aktiva ingredienser kan kapslas in på ett sätt som liknar det som händer vid riktad läkemedelsleverans. Inkapslingstekniken kan också användas för att öka mängden löst i vatten, minska behovet av stora mängder.

Aktuella applikationer

Starpharma, ett läkemedelsföretag, kom in i det här spelet för några år sedan, när det bildade en division för att tillämpa sina nanoteknologiska innovationer på jordbrukssektorn. Företaget har sedan dess sålt sin agrokemiska verksamhet.

Psigryph är ett annat innovativt nanoteknikföretag inom jordbruket. Dess teknologi använder biologiskt nedbrytbara nanostrukturer som härrör från Montmonercy surkörsbärsextrakt för att leverera bioaktiva molekyler över cellmembran i växter, djur och människor.

Mitt labb har arbetat i flera år med nanovetenskap, och jag är stolt över att se vår grundläggande förståelse för att manipulera polymerinkapsling i nanoskala närma sig tillämpningar inom jordbruket. En före detta student, Darren Andersson, är VD för Vive Crop Protection, utsedd till ett av Kanadas bäst växande företag:de tar kemiska och biologiska bekämpningsmedel och suspenderar dem i "nanopaket" - som fungerar som otroligt små polymerskyttlar - för att få dem att lätt nå sitt mål. Ingredienserna kan kontrolleras och riktas exakt när de appliceras på grödor.

Befintlig infrastruktur

En bonus med dessa nanotekniska utvecklingar är att de faktiskt inte kräver någon ny utrustning alls, vilket är en enorm fördel i den ekonomiskt utmanande jordbruksnäringen. Jordbrukare blandar helt enkelt dessa produkter med mindre vatten och bränsle för att göra effektivitetsvinster.

Andra jordbruksanvändningar för nanoteknik inkluderar djurhälsoprodukter, livsmedelsförpackningsmaterial och nanobiosensorer för att upptäcka patogener, gifter och tungmetaller i marken. Det skulle inte vara en överraskning att se den utbredda användningen av dessa nya applikationer inom en snar framtid.

När nanotekniken tar fart, denna typ av produktivitetsökning kommer att vara avgörande för bönder och en stor sak för oss andra, i takt med att jordens befolkning fortsätter att växa och effekterna av klimatförändringarna blir allt tydligare. Jordbrukarna kommer att behöva göra mer med mindre.

Lyckligtvis, några miljarddelar av en meter är själva definitionen av mindre. Med hjälp av liten nanoteknik, Det globala jordbruket står på gränsen till några mycket stora saker.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.