Шуохао Цаи, докторанд науке о тлу, поставља сензорски штап са мултифункционалном сензорском налепницом која омогућава мерења на различитим дубинама у земљишту на Пољопривредној истраживачкој станици Универзитета Висконсин-Медисон Ханкок.
МЕДИСОН — Инжењери Универзитета Висконсин-Медисон развили су јефтине сензоре који могу да обезбеде континуирано праћење нитрата у реалном времену у уобичајеним типовима земљишта у Висконсину. Ови штампани електрохемијски сензори могу помоћи пољопривредницима да доносе информисаније одлуке о управљању хранљивим материјама и остваре економске користи.
„Наши сензори могу пољопривредницима пружити боље разумевање нутритивног статуса њиховог земљишта и количине нитрата доступних њиховим биљкама, помажући им да прецизније одлуче колико им ђубрива заправо треба“, рекао је Џозеф Ендруз, ванредни професор на Универзитету Харвард. Студију је водио Машински факултет Универзитета Висконсин-Медисон. „Ако могу да смање количину ђубрива коју купују, уштеде трошкова би могле бити значајне за веће фарме.“
Нитрати су есенцијални хранљиви састојак за раст усева, али вишак нитрата може се испирати из земљишта и ући у подземне воде. Ова врста контаминације је штетна за људе који пију контаминирану бунарску воду и штетна је за животну средину. Нови сензор истраживача могао би се користити и као алат за пољопривредна истраживања за праћење испирања нитрата и помоћ у развоју најбољих пракси за ублажавање његових штетних ефеката.
Тренутне методе за праћење нитрата у земљишту су радно интензивне, скупе и не пружају податке у реалном времену. Зато су стручњак за штампану електронику Ендруз и његов тим кренули у креирање бољег и јефтинијег решења.
У овом пројекту, истраживачи су користили процес штампања инкџет штампом да би направили потенциометријски сензор, врсту танкослојног електрохемијског сензора. Потенциометријски сензори се често користе за прецизно мерење нитрата у течним растворима. Међутим, ови сензори генерално нису погодни за употребу у земљишним срединама јер велике честице земљишта могу огребати сензоре и спречити тачна мерења.
„Главни изазов који смо покушавали да решимо био је да пронађемо начин да ови електрохемијски сензори правилно раде у тешким условима земљишта и прецизно детектују нитратне јоне“, рекао је Ендрус.
Решење тима било је постављање слоја поливинилиден флуорида на сензор. Према Ендрузовим речима, овај материјал има две кључне карактеристике. Прво, има веома ситне поре, величине око 400 нанометара, које омогућавају пролаз нитратних јона, док блокирају честице земљишта. Друго, хидрофилан је, односно привлачи воду и апсорбује је попут сунђера.
„Дакле, свака вода богата нитратима ће преференцијално продрети у наше сензоре, што је заиста важно јер је земљиште такође попут сунђера и изгубићете битку у погледу уласка влаге у сензор ако не можете да постигнете исту апсорпцију воде. Потенцијал земљишта“, рекао је Ендрус. „Ова својства слоја поливинилиден флуорида нам омогућавају да извучемо воду богату нитратима, испоручимо је на површину сензора и прецизно детектујемо нитрате.“
Истраживачи су детаљно описали свој напредак у раду објављеном у марту 2024. године у часопису Advanced Materials Technology.
Тим је тестирао свој сензор на два различита типа земљишта повезана са Висконсином - песковита земљишта, уобичајена у северно-централним деловима државе, и муљевита иловаста земљишта, уобичајена у југозападном Висконсину - и открио да сензори дају тачне резултате.
Истраживачи сада интегришу свој сензор за нитрате у мултифункционални сензорски систем који називају „сензорска налепница“, у којем су три различита типа сензора монтирана на флексибилну пластичну површину помоћу лепљиве подлоге. Налепнице такође садрже сензоре влажности и температуре.
Истраживачи ће причврстити неколико сензорних налепница на стуб, поставити их на различитим висинама, а затим закопати стуб у земљу. Ова поставка им је омогућила да врше мерења на различитим дубинама земљишта.
„Мерењем нитрата, влаге и температуре на различитим дубинама, сада можемо квантификовати процес испирања нитрата и разумети како се нитрати крећу кроз земљиште, што раније није било могуће“, рекао је Ендрус.
Лета 2024. године, истраживачи планирају да поставе 30 сензорских штапића у земљиште у Пољопривредној истраживачкој станици Ханкок и Пољопривредној истраживачкој станици Арлингтон на Универзитету Висконсин-Медисон како би даље тестирали сензор.
Време објаве: 09.07.2024.