Shuohao Cai, studentă la doctorat în știința solului, plasează o tijă senzorială cu un autocolant pentru senzor multifuncțional care permite măsurători la diferite adâncimi în sol, la Stația de Cercetare Agricolă a Universității din Wisconsin-Madison Hancock.
MADISON — Inginerii de la Universitatea din Wisconsin-Madison au dezvoltat senzori cu costuri reduse care pot oferi monitorizare continuă și în timp real a nitraților din tipurile comune de sol din Wisconsin. Acești senzori electrochimici imprimați pot ajuta fermierii să ia decizii mai informate privind gestionarea nutrienților și să obțină beneficii economice.
„Senzorii noștri pot oferi fermierilor o mai bună înțelegere a stării nutriționale a solului lor și a cantității de nitrați disponibilă plantelor lor, ajutându-i să decidă mai precis de cât îngrășământ au nevoie”, a declarat Joseph Andrews, profesor asistent la Universitatea Harvard. Studiul a fost condus de Școala de Inginerie Mecanică a Universității din Wisconsin-Madison. „Dacă pot reduce cantitatea de îngrășământ pe care o cumpără, economiile de costuri ar putea fi semnificative pentru fermele mai mari.”
Nitrații sunt un nutrient esențial pentru creșterea culturilor, dar excesul de nitrați se poate scurge din sol și poate pătrunde în apele subterane. Acest tip de contaminare este dăunător pentru persoanele care beau apă de fântână contaminată și este dăunător mediului. Noul senzor al cercetătorilor ar putea fi folosit și ca instrument de cercetare agricolă pentru a monitoriza levigarea nitraților și pentru a ajuta la dezvoltarea celor mai bune practici pentru atenuarea efectelor nocive ale acestora.
Metodele actuale de monitorizare a nitraților din sol necesită multă muncă, sunt costisitoare și nu oferă date în timp real. De aceea, expertul în electronică imprimată Andrews și echipa sa și-au propus să creeze o soluție mai bună și mai puțin costisitoare.
În cadrul acestui proiect, cercetătorii au folosit un proces de imprimare cu jet de cerneală pentru a crea un senzor potențiometric, un tip de senzor electrochimic cu peliculă subțire. Senzorii potențiometrici sunt adesea utilizați pentru a măsura cu precizie nitrații din soluțiile lichide. Cu toate acestea, acești senzori nu sunt, în general, potriviți pentru utilizarea în medii din sol, deoarece particulele mari de sol pot zgâria senzorii și pot împiedica măsurători precise.
„Principala provocare pe care încercam să o rezolvăm a fost să găsim o modalitate de a face ca acești senzori electrochimici să funcționeze corect în condiții dure de sol și să detecteze cu precizie ionii de nitrați”, a spus Andrews.
Soluția echipei a fost plasarea unui strat de fluorură de poliviniliden pe senzor. Potrivit lui Andrews, acest material are două caracteristici cheie. În primul rând, are pori foarte mici, de aproximativ 400 de nanometri, care permit trecerea ionilor de nitrați, blocând în același timp particulele de sol. În al doilea rând, este hidrofil, adică atrage apa și o absoarbe ca un burete.
„Așadar, orice apă bogată în nitrați se va infiltra preferențial în senzorii noștri, ceea ce este foarte important, deoarece solul este, de asemenea, ca un burete și veți pierde bătălia în ceea ce privește umiditatea care intră în senzor dacă nu puteți obține aceeași absorbție a apei. Potențialul solului”, a spus Andrews. „Aceste proprietăți ale stratului de fluorură de poliviniliden ne permit să extragem apa bogată în nitrați, să o livrăm la suprafața senzorului și să detectăm cu precizie nitrații.”
Cercetătorii și-au detaliat progresul într-o lucrare publicată în martie 2024 în revista Advanced Materials Technology.
Echipa a testat senzorul pe două tipuri diferite de sol asociate cu Wisconsin - soluri nisipoase, comune în părțile central-nord ale statului, și soluri lutoase, comune în sud-vestul statului Wisconsin - și a constatat că senzorii au produs rezultate precise.
Cercetătorii integrează acum senzorul lor de nitrați într-un sistem de senzori multifuncțional pe care îl numesc „autocolant senzor”, în care trei tipuri diferite de senzori sunt montate pe o suprafață flexibilă din plastic folosind un suport adeziv. Autocolantele conțin, de asemenea, senzori de umiditate și temperatură.
Cercetătorii vor atașa mai multe autocolante senzoriale pe un stâlp, le vor plasa la diferite înălțimi și apoi vor îngropa stâlpul în sol. Această configurație le-a permis să facă măsurători la diferite adâncimi ale solului.
„Prin măsurarea nitraților, umidității și temperaturii la diferite adâncimi, putem acum cuantifica procesul de levigare a nitraților și putem înțelege cum se deplasează nitrații prin sol, ceea ce nu era posibil înainte”, a spus Andrews.
În vara anului 2024, cercetătorii intenționează să plaseze 30 de tije senzoriale în sol la Stația de Cercetare Agricolă Hancock și la Stația de Cercetare Agricolă Arlington de la Universitatea din Wisconsin-Madison pentru a testa în continuare senzorul.
Data publicării: 09 iulie 2024