Mısır gövde ve koçanı kesintisiz izleyen grafen sensör geliştirildi

South Dakota Eyalet Üniversitesi'nde (SDSU) çalışan araştırmacılar, mısır bitkisinin gövde ve koçan çapındaki büyümeyi kesintisiz izleyebilen küçük sensörler geliştirdi. Sensörler bitkinin üzerine bir tür giyilebilir cihaz gibi takılıyor ve ölçümleri her 10 dakikada bir güncelliyor. Amaç, gübre gibi uygulamalara bitkinin ne zaman ve nasıl yanıt verdiğini daha ayrıntılı görmek.

Lazerle üretilen grafen nasıl kullanılıyor?

Çalışmayı yürüten isim, Tarım ve Biyosistem Mühendisliği Bölümü'nde yardımcı doçent olan biyosensör mühendisi Mazhar Sher. Sher, SDSU'ya geldiği Ağustos 2022'de lazerle indüklenen grafen temelli sensörler üzerinde çalışmaya başladı. Bu yöntemde karbondioksit lazeri, ticari bir polimid levhayı gözenekli grafene dönüştürüyor. Yöntem ilk kez 2014'te Rice Üniversitesi araştırmacılarınca bildirildi ve grafen yapıları için hızlı, ölçeklenebilir bir üretim yolu olarak görülüyor.

Sher'e göre bu malzemenin yüksek elektrik iletkenliği, geniş yüzey alanı, esnekliği, gözenekli yapısı ve yüksek hassasiyeti onu sensör uygulamaları için uygun kılıyor. Bugün en bilinen kullanım alanlarından biri spor bileklikleri. Sher de SDSU'ya gelmeden önce Pennsylvania Üniversitesi'ndeki doktora sonrası çalışmasında insan hastalıklarına yönelik sensörler üzerinde çalışmıştı.

Sensör bitkiye nasıl takılıyor?

Tasarımın kilit noktası, grafen sensörün gıda sınıfı bir silikon banda yerleştirilmesi. Bitki kalınlaştıkça grafen bükülüyor ve bu sayede temas kesilmiyor. Sher ayrıca banda bir yay mekanizması ekledi. Böylece bant genişleyebiliyor ve bitkinin büyümesini kısıtlamıyor.

Kaliteli bir sensör için lazer gücü ile tarama hızının en uygun düzeyde olması gerekiyor. Bu ayar grafenin hassasiyetini artırıyor, kusurları azaltıyor. Lazer parametrelerini eniyileştirme işini, Sher'le Ağustos 2022'den mezun olduğu döneme kadar çalışan eski doktora öğrencisi Sikander Ameer yürüttü.

Bu temelin üzerine yüksek lisans öğrencisi Chamika Kuruppuarachchi, grafen sensörleri bitkiye takılabilir cihazlara dönüştürdü. Kuruppuarachchi ayrıca sensörlerden gelen veriyi toplayan, işleyen ve aktaran elektroniğin tasarımına ve entegrasyonuna katkı verdi. Ölçümler, taşınabilir dijital cihazlarda kullanılan küçük ve çıkarılabilir bir microSD karta kaydediliyor. Elektronik, uzun süren bitki deneylerinde pil ile çalışacak şekilde hazırlandı.

Sırada ne var?

Sensörler, Raven Hassas Tarım Merkezi'ndeki biyosensör laboratuvarında geliştirildi. Mısırlar ise SDSU'nun serasında izlendi. İlk testler tamamlandı, ancak sahada doğrulama henüz yapılmadı. Sıradaki adım, SDSU'nun deneme parsellerinde saha denemeleri yapmak ve çalışmanın sürmesi için kaynak bulmak. Sher teknolojiyi patentlemeyi umuyor.

Neden önemli?

Bitki sensörleri alanı henüz yeni gelişiyor. Haberde aktarıldığına göre mısırın gövde ya da koçan büyümesini ölçen bir sensör bugüne kadar geliştirilmemişti. Bugün azotun ne zaman uygulanacağı gibi sorulara genel yanıtlar var. Sürekli izlenen gövde ve koçanlardan veri indirebilen ıslahçılar ve tarım bilimciler ise daha özel yanıtlar üretebilir. Büyümenin gün içinde ve uygulamalara bağlı olarak nasıl değiştiği ayrıntılı görülebilirse, gübreleme zamanı ya da farklı uygulamaların etkisi gibi konular daha net değerlendirilebilir.

Geliştiricilerin hedef kitlesi çiftçiler değil. Polimid levhaların maliyeti bir doların altında olsa da, her mısır gövdesine sensör takılması gibi bir hedef yok. Cihazlar bitki ıslahçıları ve tarım bilimciler için araştırma aracı olarak düşünülüyor. Bu uzmanlar elde ettikleri bulguları çiftçilere daha belirgin öneriler olarak aktarabilir.

Arka plan: grafen neden bu kadar ilgi çekiyor?

Grafen, grafitten elde edilen ve tek katmanlı levha olarak ilk kez 2004'te Manchester Üniversitesi'nde fizikçiler Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından başarıyla ayrıştırılan bir malzeme. İkilinin grafen ve olağanüstü özellikleri üzerine öncü deneyleri, 2010 Nobel Fizik Ödülü'nü getirdi.

Lazerle indüklenen grafenin cazibesi, pahalı ve karmaşık üretim aşamalarına ihtiyaç duymadan, doğrudan bir polimer yüzeyde desen oluşturabilmesinde yatıyor. Bu da esnek ve düşük maliyetli sensörlerin prototiplenmesini kolaylaştırıyor. Tarımda ise büyümeyi bitkiye zarar vermeden izlemek, esneyen ve bitkiyle birlikte genişleyen bir yapı gerektiriyor. SDSU ekibinin silikon bant ve yay çözümü bu ihtiyaca yönelik. Yine de sonuçların sera koşullarının ötesinde, tarla ortamında da güvenilir olup olmadığı saha denemeleriyle belli olacak.