Tattoos helfen auch Pflanzen!

Ein Sensor, der aus Graphen (eine Modifikation aus Kohlenstoff) besteht, misst, wie schnell Pflanzen Wasser aus dem Boden aufnehmen. Dieses Maisblatt trägt ein “Pflanzen-Tattoo” aus gemustertem Graphen. Graphen ist eine einatomige Kohlenstoffschicht, die Elektrizität sehr gut leitet. Durch die Messung von Veränderungen des elektrischen Stroms können Wissenschaftler feststellen, wie schnell eine Pflanze Wasser aufsaugt.

Die Wissenschaftler haben einen aufklebbaren Sensor für Pflanzenblätter entwickelt. Er misst, wie viel Wasser eine Pflanze aus dem Boden aufnimmt. Mit diesen Informationen wissen Pflanzenzüchter, welche Individuen sie als Elternteil für Pflanzen auswählen, die Dürreperioden überleben können, indem sie das verfügbare Wasser optimal nutzen. Das ist wichtig, denn mit der Erwärmung des Erdklimas werden voraussichtlich immer häufiger schwere Dürreperioden auftreten.

Liang Dong leitete das Team, das den neuen Sensor entwickelt hat. Er arbeitet an der Iowa-State-Universität in Ames. Als Elektroingenieur entwirft, baut und analysiert er elektrische Systeme, die auf bestimmte Bedürfnisse zugeschnitten sind.

Pflanzen-Tattoo

Dong nennt seinen Sensor ein “Pflanzen-Tattoo”. Es ist ein Stück von durchsichtigem Band, eingebettet in ein tätowiertes Design, das aus mehreren Schichten von „Graphenflocken“ besteht. Graphen ist eine nur ein einziges Atom dicke Schicht aus Kohlenstoff. Es leitet nicht nur Elektrizität, sondern ist auch mechanisch belastbar, was bedeutet, dass es nicht leicht auseinanderbricht. Wenn sich Kohlenstoff mit sich selbst zu Graphen verbindet, ist jede Schicht so dünn, dass man sie nicht einmal sehen kann. Das Muster des Tattoos ist sichtbar, weil es aus mehreren Schichten besteht.

Für die Tätowierungen war es wichtig, dass das Graphen in einem Muster und nicht als gleichmäßige Schicht aufgetragen wird. Bestimmte Muster leiten den Strom besser als andere. Dong benutzte mathematische Formeln, um herauszufinden, welche Muster am besten funktionieren sollten.

Wenn man das Tattoo auf das Blatt einer Pflanze klebt, kann es an kleinen Drähten befestigt werden. Diese werden mit einer Batterie und einem Gerät verbunden, das den elektrischen Strom messen kann. Die Batterie schickt den Strom durch das Graphen. Diese Stromstärke ändert sich, je nachdem wie schnell das Wasser die Anlage hinauffließt. Dadurch wird deutlich, wie schnell die “Pflanzen-Tattoo” die Feuchtigkeit aus dem Boden aufnimmt.

Dong und sein Team haben ihre Sensoren in der Dezember-Ausgabe 2017 der Zeitschrift Advanced Materials Technologies beschrieben.

Wie sie vorgegangen sind?

Der erste Schritt bei der Erstellung des neuen Tattoos war die Herstellung einer Form aus einem Kunststoffblock. “Wir haben Einkerbungen und Kanäle in den Kunststoffblock gemacht und dann eine Graphenlösung darauf gegossen”, erklärt Dong.

Nachdem das Graphen zu Flocken getrocknet war, benutzte Dong Klebeband, um den Rest von der Oberfläche des Blocks zu entfernen. Dann brachte er ein zweites Stück Klebeband an und drückte es fest an. Als er es wieder abzog, klebte das Graphen nun an dem Band. Dong und sein Team experimentierten mit verschiedenen Verbindungen, die mit Graphen hergestellt wurden. Sie entschieden sich für eine davon, die Graphen-Oxid genannt wurde. Es ist eine Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff, die sehr feuchtigkeitsempfindlich ist. Wenn sie mit Wasserdampf in Kontakt kommt, verlangsamt sich die Geschwindigkeit, mit der sich eine Ladung, also elektrischer Strom, durch das Graphenoxid bewegt.

Das ist eine nützliche Eigenschaft. Wenn Pflanzen Wasser aus dem Boden aufnehmen, entweicht der Wasserdampf aus winzigen Löchern in ihren Blättern, den Spaltöffnungen. Indem man misst, wie stark der elektrische Strom nach dem Aufkleben des Sensors auf das Blatt einer Pflanze verlangsamt wird, können die Forscher herausfinden, wie schnell die Pflanze Wasser aufnimmt.

Den Pflanzensensor haben die Forscher an Maispflanzen ausprobiert. Sie führten eine Messung durch, wie lange es bei zwei Maispflanzenarten dauerte, bis das Wasser von den Wurzeln zu den unteren Blättern und dann zu den oberen Blättern gelangte. Bei einer Pflanze dauerte es im Durchschnitt 80 Minuten, um Wasser vom vierten bis zum neunten Blatt zu bewegen. Die andere Pflanze schaffte dies in nur 28 Minuten.

Elizabeth Lee ist Pflanzenwissenschaftlerin in Kanada an der Universität von Guelph in Ontario. Diese Mais-Expertin sagt, dass einige Maissorten die Spaltöffnungen ihrer Blätter schneller schließen als andere, wenn der Boden trocken ist. Das hilft ihnen, Wasser zu sparen und Trockenheit besser zu überstehen.

Der neue Sensor ist “eine gute Möglichkeit, um leicht zu erkennen, welche Arten besser Wasser sparen”, beobachtet Lee. Züchter sollten sich bei der Entwicklung trockenheitstoleranter Arten auf diese konzentrieren. Dong sagt, dass der nächste Schritt in seiner Forschung darin besteht, den Sensor zu nutzen, um zu sehen, wie der Wasserverbrauch einer Kulturpflanze die Anzahl und die Größe der Ähren beeinflusst. “Das ultimative Ziel unserer Arbeit ist es, trockentolerante Nutzpflanzen zu entwickeln, die mit dem Klimawandel umgehen können”, sagt er.