Shuohao Cai, doktorand znanosti o tlu, postavlja senzorsku šipku s višenamjenskom naljepnicom senzora koja omogućuje mjerenja na različitim dubinama u tlu u Poljoprivrednoj istraživačkoj stanici Sveučilišta Wisconsin-Madison Hancock.
MADISON — Inženjeri Sveučilišta Wisconsin-Madison razvili su jeftine senzore koji mogu omogućiti kontinuirano praćenje nitrata u stvarnom vremenu u uobičajenim vrstama tla u Wisconsinu. Ovi tiskani elektrokemijski senzori mogu pomoći poljoprivrednicima da donose informiranije odluke o upravljanju hranjivim tvarima i ostvare ekonomske koristi.
„Naši senzori mogu poljoprivrednicima dati bolji uvid u nutritivno stanje njihova tla i količinu nitrata dostupnog njihovim biljkama, pomažući im da preciznije odluče koliko im gnojiva zapravo treba“, rekao je Joseph Andrews, docent na Sveučilištu Harvard. Studiju je vodio Fakultet strojarstva Sveučilišta 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 ispirati iz tla i ući u podzemne vode. Ova vrsta kontaminacije štetna je za ljude koji piju kontaminiranu vodu iz bunara 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 praćenja nitrata u tlu su radno intenzivne, skupe i ne pružaju podatke u stvarnom vremenu. Zato su stručnjak za tiskanu elektroniku Andrews i njegov tim krenuli u stvaranje boljeg i jeftinijeg rješenja.
U ovom projektu, istraživači su koristili proces inkjet ispisa za izradu potenciometrijskog senzora, vrste elektrokemijskog senzora s tankim filmom. Potenciometrijski senzori se često koriste za precizno mjerenje nitrata u tekućim otopinama. Međutim, ovi senzori općenito nisu prikladni za upotrebu u okruženjima tla jer velike čestice tla mogu ogrebati senzore i spriječiti točna mjerenja.
„Glavni izazov koji smo pokušavali riješiti bio je pronaći način da ovi elektrokemijski senzori ispravno rade u teškim uvjetima tla i točno detektiraju nitratne ione“, rekao je Andrews.
Rješenje tima bilo je postaviti sloj poliviniliden fluorida na senzor. Prema Andrewsu, ovaj materijal ima dvije ključne karakteristike. Prvo, ima vrlo sitne pore, veličine oko 400 nanometara, koje omogućuju prolaz nitratnim ionima, a istovremeno blokiraju čestice tla. Drugo, hidrofilan je, odnosno privlači vodu i upija je poput spužve.
„Dakle, svaka voda bogata nitratima preferencijalno će prodrijeti u naše senzore, što je stvarno 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 omogućuju nam da izdvojimo vodu bogatu nitratima, dostavimo je na površinu senzora i točno detektiramo nitrate.“
Istraživači su detaljno opisali svoj napredak u radu objavljenom u ožujku 2024. u časopisu Advanced Materials Technology.
Tim je testirao svoj senzor na dvije različite vrste tla povezane s Wisconsinom - pjeskovitom tlu, uobičajenom u sjeverno-središnjim dijelovima države, i muljevitom ilovastom tlu, uobičajenom u jugozapadnom Wisconsinu - i otkrio da senzori daju točne rezultate.
Istraživači sada integriraju svoj senzor nitrata u višenamjenski senzorski sustav koji nazivaju "naljepnica senzora", 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 tlo. Ova postavka omogućila im je 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.
U ljeto 2024. istraživači planiraju postaviti 30 senzorskih šipki u tlo u Poljoprivrednoj istraživačkoj stanici Hancock i Poljoprivrednoj istraživačkoj stanici Arlington na Sveučilištu Wisconsin-Madison kako bi dodatno testirali senzor.
Vrijeme objave: 09.07.2024.