Inżynierowie z Uniwersytetu Wisconsin-Madison opracowali niedrogie czujniki gleby

Shuohao Cai, doktorantka gleboznawstwa, umieszcza pręt czujnika z wielofunkcyjną naklejką czujnika, która umożliwia pomiary na różnych głębokościach gleby w Stacji Badawczej Rolnictwa Uniwersytetu Wisconsin-Madison Hancock.
MADISON — Inżynierowie z Uniwersytetu Wisconsin w Madison opracowali niedrogie czujniki, które umożliwiają ciągły monitoring azotanów w czasie rzeczywistym w typowych glebach stanu Wisconsin. Te drukowane czujniki elektrochemiczne mogą pomóc rolnikom podejmować bardziej świadome decyzje dotyczące zarządzania składnikami odżywczymi i osiągać korzyści ekonomiczne.
„Nasze czujniki pozwalają rolnikom lepiej zrozumieć stan odżywienia gleby i ilość azotanów dostępnych dla roślin, pomagając im precyzyjniej określić, ile nawozu faktycznie potrzebują” – powiedział Joseph Andrews, adiunkt na Uniwersytecie Harvarda. Badanie zostało przeprowadzone przez Wydział Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu Wisconsin-Madison. „Jeśli uda im się zmniejszyć ilość kupowanych nawozów, oszczędności mogą być znaczące dla większych gospodarstw rolnych”.
Azotany są niezbędnym składnikiem odżywczym dla wzrostu upraw, ale ich nadmiar może wypłukiwać z gleby i przedostawać się do wód gruntowych. Ten rodzaj zanieczyszczenia jest szkodliwy dla osób pijących zanieczyszczoną wodę ze studni i dla środowiska. Nowy czujnik opracowany przez naukowców może być również wykorzystywany jako narzędzie badawcze w rolnictwie do monitorowania wypłukiwania azotanów i opracowywania najlepszych praktyk ograniczających jego szkodliwe skutki.
Obecne metody monitorowania azotanów w glebie są pracochłonne, drogie i nie dostarczają danych w czasie rzeczywistym. Dlatego Andrews, ekspert w dziedzinie elektroniki drukowanej, wraz ze swoim zespołem, postanowił stworzyć lepsze i tańsze rozwiązanie.
W tym projekcie naukowcy wykorzystali proces drukowania atramentowego do stworzenia czujnika potencjometrycznego, czyli cienkowarstwowego czujnika elektrochemicznego. Czujniki potencjometryczne są często używane do dokładnego pomiaru azotanów w roztworach ciekłych. Czujniki te nie nadają się jednak do stosowania w środowisku glebowym, ponieważ duże cząsteczki gleby mogą zarysować czujniki i uniemożliwić dokładne pomiary.
„Głównym wyzwaniem, jakie staraliśmy się rozwiązać, było znalezienie sposobu na to, aby te czujniki elektrochemiczne działały prawidłowo w trudnych warunkach glebowych i precyzyjnie wykrywały jony azotanowe” – powiedział Andrews.
Rozwiązaniem zespołu było nałożenie na czujnik warstwy polifluorku winylidenu. Według Andrewsa, materiał ten ma dwie kluczowe cechy. Po pierwsze, ma bardzo małe pory o średnicy około 400 nanometrów, które umożliwiają przepływ jonów azotanowych, blokując jednocześnie cząsteczki gleby. Po drugie, jest hydrofilowy, czyli przyciąga wodę i absorbuje ją niczym gąbka.
„W związku z tym każda woda bogata w azotany będzie preferencyjnie wsiąkać w nasze czujniki, co jest niezwykle ważne, ponieważ gleba działa jak gąbka i przegramy walkę o dostęp wilgoci do czujnika, jeśli nie uda nam się uzyskać takiej samej absorpcji wody. Potencjał gleby” – powiedział Andrews. „Te właściwości warstwy polifluorku winylidenu pozwalają nam wyekstrahować wodę bogatą w azotany, dostarczyć ją na powierzchnię czujnika i precyzyjnie wykryć azotany”.
Naukowcy szczegółowo opisali swoje postępy w artykule opublikowanym w marcu 2024 r. w czasopiśmie Advanced Materials Technology.
Zespół przetestował swój czujnik na dwóch różnych rodzajach gleby występujących w stanie Wisconsin — piaszczystych glebach, powszechnych w północno-środkowej części stanu, oraz gliniastych glebach pylastych, powszechnych w południowo-zachodniej części stanu — i stwierdził, że czujniki dawały dokładne wyniki.
Naukowcy integrują obecnie swój czujnik azotanów z wielofunkcyjnym systemem czujników, który nazywają „naklejką sensorową”, w której trzy różne typy czujników są zamontowane na elastycznej powierzchni z tworzywa sztucznego za pomocą kleju. Naklejki zawierają również czujniki wilgotności i temperatury.
Naukowcy przymocują kilka naklejek sensorycznych do słupka, umieścili je na różnych wysokościach, a następnie zakopali słupek w glebie. Taka konfiguracja umożliwiła im przeprowadzenie pomiarów na różnych głębokościach gleby.
„Poprzez pomiar stężenia azotanów, wilgotności i temperatury na różnych głębokościach możemy teraz określić ilościowo proces wypłukiwania azotanów i zrozumieć, w jaki sposób azotany przemieszczają się przez glebę, co wcześniej nie było możliwe” – powiedział Andrews.
Latem 2024 roku naukowcy planują umieścić 30 prętów czujnikowych w glebie na terenie Stacji Badawczej Rolnictwa Hancock i Stacji Badawczej Rolnictwa Arlington na Uniwersytecie Wisconsin-Madison, aby przeprowadzić dalsze testy czujnika.