Udnyttelse af plasmonics til præcisionslandbrug over hele verden

Maiken Mikkelsen vil ændre verden ved at udvikle en lille, billigt hyperspektralt kamera til at muliggøre verdensomspændende præcisionslandbrugspraksis, der ville reducere vand betydeligt, energi, brug af gødning og pesticider samtidig med at udbyttet øges. Selvom det mål lyder som en stor opgave for et simpelt kamera, det er en, der nu har fået grønt lys af et 2019 Moore Inventor Fellowship.

"Moore Inventor Fellowship åbner en ny forskningsvej for mig, sagde Mikkelsen, James N. og Elizabeth H. Barton lektor i elektro- og computerteknik ved Duke University. "Det gør mig i stand til at udforske nye applikationer til min teknologi, der kan gavne miljøet og menneskeheden på en dybtgående måde, og jeg er taknemmelig for, at Moore Foundation giver mig mulighed for at forfølge dem."

De kameraer, de fleste tænker på og bruger hver dag, fanger kun synligt lys, hvilket er en lille brøkdel af det tilgængelige spektrum. Andre kameraer kan specialisere sig i infrarøde eller røntgenbølgelængder, for eksempel, men få kan fange lys fra forskellige punkter langs spektret. Og dem, der kan lide af et utal af ulemper, såsom kompliceret maskineri, der kan gå i stykker, langsomme funktionelle hastigheder, omfang, der kan gøre dem svære at transportere, håndtere i hånden eller placere på droner, og omkostninger, der spænder fra titusinder til hundredtusindvis af dollars.

Mikkelsen, imidlertid, arbejder på en tilgang, der kan implementeres på en enkelt chip, kan tage et multispektralt billede på få billioner af et sekund, og produceret og solgt for kun snesevis af dollars.

"Det var slet ikke indlysende, at vi kunne gøre det her, " sagde Mikkelsen. "Det er faktisk ret forbløffende, at det ikke kun virker i indledende forsøg, men vi ser nye fysiske fænomener, som vi ikke havde forventet, og som vil give os mulighed for at fremskynde, hvor hurtigt vi kan gøre denne påvisning i mange størrelsesordener."

Det fysiske fænomen bag Mikkelsens teknologi kaldes plasmonics - brugen af ​​fysiske fænomener i nanoskala til at fange visse lysfrekvenser.

Mikkelsen og hendes team laver sølvterninger på kun hundrede nanometer brede og placerer dem kun et par nanometer over et tyndt lag guld. Når indkommende lys rammer overfladen af ​​en nanokube, det ophidser sølvets elektroner, fanger lysets energi - men kun ved en bestemt frekvens.

Størrelsen af ​​sølvnanokuberne og deres afstand fra grundlaget af guld bestemmer denne frekvens, mens styring af afstanden mellem nanopartiklerne gør det muligt at justere styrken af ​​absorptionen. Ved præcist at skræddersy disse mellemrum, forskere kan få systemet til at reagere på enhver elektromagnetisk frekvens, de ønsker.

For at udnytte dette grundlæggende fysiske fænomen til et kommercielt kamera, Mikkelsen og hendes kolleger har demonstreret en slags "superpixel" - en pixel lavet af et gitter af ni individuelle detektorer, der hver er indstillet til en anden lysfrekvens. Når et sted på pixlens gitter fanger dens specifikke frekvens, det varmer, hvilket igen skaber en elektrisk spænding i et lag af pyroelektrisk materiale, der sidder direkte under det. Den spænding aflæses derefter af et bundlag af en siliciumhalvlederkontakt, som sender signalet til en computer for at analysere.

"Kommercielle fotodetektorer er blevet lavet med disse typer pyroelektriske materialer før, men de har altid lidt af to store ulemper - de har ikke været i stand til at fokusere på specifikke elektromagnetiske frekvenser og har fungeret ved meget langsomme hastigheder på grund af de tykke lag af materialet, der skal til for at absorbere nok indkommende lys, " sagde Mikkelsen. "Men vores plasmoniske detektorer kan indstilles til enhver frekvens og fange så meget energi, at vi kun behøver et tyndt lag pyroelektrisk materiale, hvilket i høj grad fremskynder processen."

Mens de første proof-of-concept eksperimenter vil bruge et tre-til-tre-gitter, der er i stand til at detektere ni frekvenser, Mikkelsen planlægger at skalere op til et fem-til-fem-net med i alt 25 frekvenser. Og der er ingen mangel på applikationer, der er klar til at drage fordel af sådan en enhed.

Kirurger kan bruge hyperspektral billeddannelse til at fortælle forskellen mellem kræft og sundt væv under operationen. Fødevare- og vandsikkerhedsinspektører kan bruge det til at fortælle, når et kyllingebryst er forurenet med farlige bakterier. Men den applikation, som Mikkelsen har sat sig for, er præcisionslandbrug. Mens planter måske kun ser grønne eller brune ud med det blotte øje, lyset, der reflekteres fra deres blade og blomster uden for det visuelle spektrum, indeholder et overflødighedshorn af værdifuld information.

"Hvis man opnår et 'spektralt fingeraftryk', kan man præcist identificere et materiale og dets sammensætning, " sagde Mikkelsen. "Det kan ikke kun angive plantetypen, men den kan også bestemme dens tilstand, om den har brug for vand, er stresset eller har lavt nitrogenindhold, indikerer behov for gødning. Det er virkelig forbløffende, hvor meget vi kan lære om planter ved blot at studere et spektralbillede af dem."

Hyperspektral billeddannelse kunne muliggøre præcisionslandbrug, tillade gødning, pesticider, herbicider og vand må kun påføres, hvor det er nødvendigt. Dette har potentiale til at reducere forureningen og samtidig spare vand og penge. Forestil dig et hyperspektralt kamera monteret på en helikopter eller drone, der kortlægger en marks tilstand og sender den information til en traktor, der er designet til at levere gødning eller pesticider med variable hastigheder på tværs af markerne.

Det anslås, at den proces, der i øjeblikket bruges til at fremstille gødning, tegner sig for op til to procent af det globale energiforbrug og op til tre procent af det globale kuldioxidudslip. På samme tid, forskere vurderer, at 50 til 60 procent af den producerede gødning går til spilde. Regnskab for gødning alene, præcisionslandbrug rummer et enormt potentiale for energibesparelser og drivhusgasreduktion, for ikke at nævne de anslåede 8,5 milliarder dollars i besparelser hvert år, ifølge det amerikanske landbrugsministerium.

Flere virksomheder er allerede i gang med denne type projekter. For eksempel, IBM piloterer et projekt i Indien ved hjælp af satellitbilleder til at vurdere afgrøder på denne måde. Denne tilgang, imidlertid, er meget dyrt og begrænsende, Derfor forestiller Mikkelsen sig en billig, håndholdt detektor, der kunne afbilde afgrødemarker fra jorden eller fra billige droner.

"Forestil dig virkningen ikke kun i USA, men også i lav- og mellemindkomstlande, hvor der ofte er mangel på gødning, pesticider og vand, " sagde Mikkelsen. "Ved at vide, hvor man skal bruge de sparsomme ressourcer, vi kunne øge afgrødeudbyttet betydeligt og hjælpe med at reducere sult."

Lanceret i 2016 for at fejre halvtredsårsdagen for Moores lov, den revolutionære forudsigelse, der forudså den eksponentielle vækst af computerkraft, programmet omfavner ånden i Gordon Moores passion for videnskab og hang til at opfinde.

Dette år, fonden overvejede mere end 200 nomineringer til slutrunden, hvoraf fem stipendiater blev udvalgt til at forfølge innovative projekter med potentiale til at skabe væsentlig forandring. Hver stipendiat modtager i alt $825, 000 over tre år samt netværks- og iværksætterstøtte til at drive deres opfindelse fremad.

"Moore Inventor Fellowship anerkender kvaliteten af ​​individet, samt kvaliteten af ​​ideen, " sagde Harvey V. Fineberg, præsident for Gordon and Betty Moore Foundation. "Det ultimative mål er at konvertere ideerne til opfindelser, der kan ændre verden."