Một nhóm các nhà khoa học ở Singapore và Trung Quốc đã tiến một bước đến khả năng phát hiện bệnh trên cây trồng, trước khi chúng bắt đầu biểu hiện các triệu chứng, bằng cách sử dụng hình xăm điện tử siêu mỏng, hay gọi tắt là hình xăm điện tử, trong nghiên cứu phản ứng miễn dịch của cây mà không cần phải đâm thủng, cắt hoặc làm dập lá. Hình xăm điện tử là một màng nano bạc bám vào bề mặt lá cây. Nó dẫn dòng điện xoay chiều vô hại, trong phạm vi microampere, để đo trở kháng điện hóa của cây đối với dòng điện đó. Trở kháng đó là dấu hiệu cho thấy sức khỏe của cây.

heo tác giả chính Tianyiyi He (Đại học MSU-BIT Thâm Quyến, Trung Quốc), một cây khỏe mạnh có phổ trở kháng đặc trưng - nó độc đáo đối với cây như dấu vân tay của một người. Nếu cây bị căng thẳng hoặc các tế bào của cây bị tổn thương, phổ này sẽ thay đổi về hình dạng và cường độ. Các tác nhân gây căng thẳng khác nhau như mất nước hay phản ứng miễn dịch sẽ gây ra những thay đổi khác nhau. Điều này là do các tế bào thực vật giống như các khoang nhỏ có chất lỏng đi qua. Màng tế bào thực vật hoạt động giống như tụ điện, chống lại dòng điện. Khi các tế bào bị phá vỡ, giống như trong phản ứng miễn dịch, dòng điện sẽ chảy dễ dàng hơn và trở kháng giảm xuống.

Các vấn đề khác nhau sẽ tạo ra các phản ứng điện khác nhau, ví dụ như tình trạng mất nước trông khác với tình trạng nhiễm trùng. Những thay đổi trong phổ trở kháng của cây có nghĩa là có điều gì đó không ổn, và bằng cách xem xét vị trí và cách phổ đó thay đổi, nhóm nghiên cứu có thể phát hiện ra vấn đề, sớm hơn đến 3 giờ trước khi các triệu chứng thực thể bắt đầu xuất hiện. Tuy cần phải có nhiều nghiên cứu hơn nữa để giúp các nhà khoa học phát hiện ra nhiều phản ứng hơn đối với các tác nhân gây căng thẳng trong môi trường thực tế, nhưng đây là một bước tiến tốt.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm màng trên cây cải xoong thale (Arabidopsis thaliana) được trồng trong phòng thí nghiệm trong 14 ngày. Họ trộn các sợi nano trong nước để chúng có thể truyền trơn tru vào cây, chỉ bằng cách nhỏ hỗn hợp lên lá. Sau đó, họ dán hình xăm điện tử ở hai vị trí khác nhau, song song trên một chiếc lá và trên các mặt đối diện của một chiếc lá, để xem dòng điện sẽ chạy như thế nào. Sau đó, với một giọt galistan (hợp kim kim loại lỏng gồm gali, indi và thiếc), họ gắn một sợi dây đồng có đường kính bằng sợi tóc người vào bề mặt hình xăm điện tử để áp dụng dòng điện xoay chiều từ một máy phát điện nhỏ. Nhóm nghiên cứu đã thu thập dữ liệu hàng ngày để xem cây sẽ phản ứng như thế nào. Cây đối chứng cho thấy quang phổ nhất quán trong suốt hai tuần, nhưng cây được tiếp xúc với chất kích thích phản ứng miễn dịch (như etanol) hoặc bị thương hoặc mất nước cho thấy các mẫu quang phổ trở kháng điện khác nhau.

Theo ông Tianyiyi He, các sợi nano bạc mang chất lỏng hoạt động tốt hơn các kim loại dẫn điện cao khác như đồng hoặc niken vì chúng không đủ mềm để hoàn toàn "dính" vào lá cây và vẫn bám dính hoàn hảo ngay cả khi lá uốn cong hoặc nhăn nheo. Và trong trường hợp của cây cải xoong, chúng cũng có tricoma - các cấu trúc giống như sợi tóc nhỏ thường bảo vệ và giữ cho lá không bị mất quá nhiều nước. Tricoma cản trở sự bám dính hoàn hảo vì chúng làm cho bề mặt lá không bằng phẳng, nhưng các sợi nano bạc đã giải quyết được vấn đề này theo cách tốt hơn các vật liệu khác.

Hình xăm điện tử bằng nano bạc cũng tỏ ra rất linh hoạt. Nó cũng có tác dụng với cây lá rộng, cây chấm bi, cây cải bẹ và khoai lang. Nhóm nghiên cứu nhận thấy vật liệu này không chặn tia nắng mặt trời, nghĩa là nó không ảnh hưởng đến quá trình quang hợp.

Ở quy mô lớn, hình xăm điện tử có thể là một công cụ giúp nông dân phát hiện ra các vấn đề trong mùa màng. Nhưng ông Tianyiyi He cho biết kỹ thuật này sẽ cần được cải thiện để đạt được điều đó, như tái thiết kế các mạch để tối ưu hóa chúng. Nhóm nghiên cứu kỳ vọng có thể thu nhỏ hơn nữa thành và thêm giao tiếp không dây để xây dựng các hệ thống IoT (Internet vạn vật) để kết nối và truyền dữ liệu lên đám mây.