Shuohao Cai, doktorand nauka o tlu, postavlja senzorski štap s multifunkcionalnom naljepnicom senzora koja omogućava mjerenja na različitim dubinama u tlu u Poljoprivrednoj istraživačkoj stanici Univerziteta Wisconsin-Madison Hancock.
MADISON — Inženjeri Univerziteta Wisconsin-Madison razvili su jeftine senzore koji mogu omogućiti kontinuirano praćenje nitrata u stvarnom vremenu u uobičajenim tipovima tla u Wisconsinu. Ovi štampani elektrohemijski senzori mogu pomoći poljoprivrednicima da donose informiranije odluke o upravljanju hranjivim tvarima i ostvare ekonomske koristi.
„Naši senzori mogu poljoprivrednicima dati bolje razumijevanje nutritivnog statusa njihovog tla i količine nitrata dostupnog njihovim biljkama, pomažući im da preciznije odluče koliko im gnojiva zapravo treba“, rekao je Joseph Andrews, docent na Univerzitetu Harvard. Studiju je vodio Fakultet mašinstva Univerziteta Wisconsin-Madison. „Ako mogu smanjiti količinu gnojiva koju kupuju, uštede troškova mogle bi biti značajne za veće farme.“
Nitrati su esencijalni nutrijent za rast usjeva, ali višak nitrata može se isprazniti iz tla i ući u podzemne vode. Ova vrsta kontaminacije štetna je za ljude koji piju kontaminiranu bunarsku vodu i štetna je za okoliš. Novi senzor istraživača mogao bi se koristiti i kao alat za poljoprivredna istraživanja za praćenje ispiranja nitrata i pomoć u razvoju najboljih praksi za ublažavanje njegovih štetnih učinaka.
Trenutne metode za praćenje nitrata u tlu su radno intenzivne, skupe i ne pružaju podatke u stvarnom vremenu. Zato su stručnjak za štampanu elektroniku Andrews i njegov tim krenuli u stvaranje boljeg i jeftinijeg rješenja.
U ovom projektu, istraživači su koristili proces inkjet štampanja kako bi kreirali potenciometrijski senzor, vrstu elektrohemijskog senzora s tankim filmom. Potenciometrijski senzori se često koriste za precizno mjerenje nitrata u tečnim rastvorima. Međutim, ovi senzori uglavnom nisu pogodni za upotrebu u okruženjima tla jer velike čestice tla mogu ogrebati senzore i spriječiti tačna mjerenja.
„Glavni izazov koji smo pokušavali riješiti bio je pronaći način da ovi elektrohemijski senzori ispravno rade u teškim uslovima tla i precizno detektuju nitratne ione“, rekao je Andrews.
Rješenje tima bilo je postavljanje sloja poliviniliden fluorida na senzor. Prema Andrewsu, ovaj materijal ima dvije ključne karakteristike. Prvo, ima vrlo sitne pore, veličine oko 400 nanometara, koje omogućavaju prolaz nitratnih iona, a istovremeno blokiraju čestice tla. Drugo, hidrofilan je, odnosno privlači vodu i upija je poput spužve.
„Dakle, svaka voda bogata nitratima će preferencijalno prodrijeti u naše senzore, što je zaista važno jer je tlo također poput spužve i izgubit ćete bitku u smislu vlage koja ulazi u senzor ako ne možete postići istu apsorpciju vode. Potencijal tla“, rekao je Andrews. „Ova svojstva sloja poliviniliden fluorida omogućavaju nam da izdvojimo vodu bogatu nitratima, dostavimo je na površinu senzora i precizno detektujemo nitrate.“
Istraživači su detaljno opisali svoj napredak u radu objavljenom u martu 2024. godine u časopisu Advanced Materials Technology.
Tim je testirao svoj senzor na dvije različite vrste tla povezane s Wisconsinom - pjeskovitom tlu, uobičajenom u sjeverno-centralnim dijelovima države, i muljevitom ilovastom tlu, uobičajenom u jugozapadnom Wisconsinu - i otkrio da senzori daju tačne rezultate.
Istraživači sada integrišu svoj senzor za nitrate u multifunkcionalni senzorski sistem koji nazivaju "senzorska naljepnica", u kojem su tri različite vrste senzora montirane na fleksibilnu plastičnu površinu pomoću ljepljive podloge. Naljepnice također sadrže senzore vlažnosti i temperature.
Istraživači će pričvrstiti nekoliko senzornih naljepnica na stup, postaviti ih na različite visine, a zatim stup zakopati u zemlju. Ova postavka im je omogućila mjerenja na različitim dubinama tla.
„Mjerenjem nitrata, vlage i temperature na različitim dubinama, sada možemo kvantificirati proces ispiranja nitrata i razumjeti kako se nitrati kreću kroz tlo, što prije nije bilo moguće“, rekao je Andrews.
Tokom ljeta 2024. godine, istraživači planiraju postaviti 30 senzorskih šipki u tlo u Poljoprivrednoj istraživačkoj stanici Hancock i Poljoprivrednoj istraživačkoj stanici Arlington na Univerzitetu Wisconsin-Madison kako bi dodatno testirali senzor.
Vrijeme objave: 09.07.2024.