Shuohao Cai, doktorand v odbore pôdna veda, umiestňuje senzorovú tyč s multifunkčnou nálepkou, ktorá umožňuje merania v rôznych hĺbkach pôdy na Výskumnej stanici poľnohospodárskej výskumnej stanice University of Wisconsin-Madison Hancock.
MADISON — Inžinieri z University of Wisconsin-Madison vyvinuli nízkonákladové senzory, ktoré dokážu zabezpečiť nepretržité monitorovanie dusičnanov v bežných typoch pôdy v štáte Wisconsin v reálnom čase. Tieto tlačené elektrochemické senzory môžu pomôcť poľnohospodárom robiť informovanejšie rozhodnutia o hospodárení s živinami a dosahovať ekonomické výhody.
„Naše senzory môžu poľnohospodárom poskytnúť lepšie pochopenie nutričného stavu ich pôdy a množstva dusičnanov dostupných pre ich rastliny, čo im pomáha presnejšie rozhodnúť sa, koľko hnojiva skutočne potrebujú,“ povedal Joseph Andrews, odborný asistent na Harvardskej univerzite. Štúdiu viedla Strojnícka fakulta na Univerzite Wisconsin-Madison. „Ak dokážu znížiť množstvo kupovaných hnojív, úspory nákladov by mohli byť pre väčšie farmy významné.“
Dusičnany sú nevyhnutnou živinou pre rast plodín, ale nadmerné množstvo dusičnanov sa môže vylúhovať z pôdy a dostať do podzemnej vody. Tento typ kontaminácie je škodlivý pre ľudí, ktorí pijú kontaminovanú studničnú vodu, a je škodlivý pre životné prostredie. Nový senzor výskumníkov by sa mohol použiť aj ako nástroj poľnohospodárskeho výskumu na monitorovanie vylúhovania dusičnanov a na pomoc pri vývoji osvedčených postupov na zmiernenie jeho škodlivých účinkov.
Súčasné metódy monitorovania dusičnanov v pôde sú náročné na pracovnú silu, drahé a neposkytujú údaje v reálnom čase. Preto sa expert na tlačenú elektroniku Andrews a jeho tím rozhodli vytvoriť lepšie a lacnejšie riešenie.
V tomto projekte výskumníci použili proces atramentovej tlače na vytvorenie potenciometrického senzora, čo je typ tenkovrstvového elektrochemického senzora. Potenciometrické senzory sa často používajú na presné meranie dusičnanov v kvapalných roztokoch. Tieto senzory však vo všeobecnosti nie sú vhodné na použitie v pôdnom prostredí, pretože veľké častice pôdy môžu senzory poškriabať a zabrániť presnému meraniu.
„Hlavnou výzvou, ktorú sme sa snažili vyriešiť, bolo nájsť spôsob, ako zabezpečiť, aby tieto elektrochemické senzory správne fungovali v náročných pôdnych podmienkach a presne detekovali dusičnanové ióny,“ povedal Andrews.
Riešením tímu bolo umiestniť na senzor vrstvu polyvinylidénfluoridu. Podľa Andrewsa má tento materiál dve kľúčové vlastnosti. Po prvé, má veľmi malé póry s veľkosťou približne 400 nanometrov, ktoré umožňujú prechod dusičnanových iónov a zároveň blokujú častice pôdy. Po druhé, je hydrofilný, to znamená, že priťahuje vodu a absorbuje ju ako špongia.
„Takže akákoľvek voda bohatá na dusičnany bude prednostne vsakovať do našich senzorov, čo je naozaj dôležité, pretože pôda je tiež ako špongia a prehráte bitku o vlhkosť, ktorá sa dostane do senzora, ak nedosiahnete rovnakú absorpciu vody. Potenciál pôdy,“ povedal Andrews. „Tieto vlastnosti vrstvy polyvinylidénfluoridu nám umožňujú extrahovať vodu bohatú na dusičnany, dodávať ju na povrch senzora a presne detegovať dusičnany.“
Výskumníci podrobne opísali svoj pokrok v článku publikovanom v marci 2024 v časopise Advanced Materials Technology.
Tím testoval svoj senzor na dvoch rôznych typoch pôdy spojených s Wisconsinom – piesočnatých pôdach, bežných v severo-centrálnych častiach štátu, a prachových hlinitých pôdach, bežných v juhozápadnom Wisconsine – a zistil, že senzory prinášajú presné výsledky.
Výskumníci teraz integrujú svoj senzor dusičnanov do multifunkčného senzorového systému, ktorý nazývajú „senzorová nálepka“, v ktorom sú tri rôzne typy senzorov pripevnené na flexibilnom plastovom povrchu pomocou lepiacej podložky. Nálepky obsahujú aj senzory vlhkosti a teploty.
Výskumníci pripevnia na stĺpik niekoľko senzorických nálepiek, umiestnia ich do rôznych výšok a potom stĺpik zahrabajú do pôdy. Toto nastavenie im umožnilo vykonávať merania v rôznych hĺbkach pôdy.
„Meraním dusičnanov, vlhkosti a teploty v rôznych hĺbkach teraz môžeme kvantifikovať proces vyplavovania dusičnanov a pochopiť, ako sa dusičnany pohybujú pôdou, čo predtým nebolo možné,“ povedal Andrews.
V lete 2024 plánujú výskumníci umiestniť 30 senzorových tyčí do pôdy v poľnohospodárskej výskumnej stanici Hancock a v poľnohospodárskej výskumnej stanici Arlington na University of Wisconsin-Madison, aby ďalej otestovali senzor.
Čas uverejnenia: 9. júla 2024