Shuohao Cai, doktorand v oboru pedologie, umisťuje na výzkumné stanici Hancock Zemědělské výzkumné stanice Univerzity Wisconsin-Madison senzorovou tyč s multifunkční nálepkou, která umožňuje měření v různých hloubkách půdy.
MADISON — Inženýři z University of Wisconsin-Madison vyvinuli levné senzory, které dokáží zajistit nepřetržité monitorování dusičnanů v reálném čase v běžných typech půdy ve Wisconsinu. Tyto tištěné elektrochemické senzory mohou zemědělcům pomoci činit informovanější rozhodnutí o hospodaření s živinami a dosáhnout ekonomických výhod.
„Naše senzory mohou zemědělcům poskytnout lepší pochopení nutričního stavu jejich půdy a množství dusičnanů dostupných pro jejich rostliny, což jim pomáhá přesněji se rozhodnout, kolik hnojiva skutečně potřebují,“ řekl Joseph Andrews, odborný asistent na Harvardově univerzitě. Studii vedla Fakulta strojního inženýrství na University of Wisconsin-Madison. „Pokud se jim podaří snížit množství kupovaných hnojiv, úspory nákladů by mohly být pro větší farmy významné.“
Dusičnany jsou nezbytnou živinou pro růst plodin, ale nadbytek dusičnanů se může vyplavovat z půdy a dostat do podzemních vod. Tento typ kontaminace je škodlivý pro lidi, kteří pijí kontaminovanou studniční vodu, a je škodlivý pro životní prostředí. Nový senzor výzkumníků by mohl být také použit jako nástroj pro zemědělský výzkum k monitorování vyplavování dusičnanů a k vývoji osvědčených postupů pro zmírnění jeho škodlivých účinků.
Současné metody monitorování dusičnanů v půdě jsou pracné, drahé a neposkytují data v reálném čase. Proto se expert na tištěnou elektroniku Andrews a jeho tým rozhodli vytvořit lepší a levnější řešení.
V tomto projektu vědci použili proces inkoustového tisku k vytvoření potenciometrického senzoru, což je typ tenkovrstvého elektrochemického senzoru. Potenciometrické senzory se často používají k přesnému měření dusičnanů v kapalných roztocích. Tyto senzory však obecně nejsou vhodné pro použití v půdním prostředí, protože velké půdní částice mohou senzory poškrábat a zabránit přesnému měření.
„Hlavní výzvou, kterou jsme se snažili vyřešit, bylo najít způsob, jak zajistit, aby tyto elektrochemické senzory správně fungovaly v náročných půdních podmínkách a přesně detekovaly dusičnanové ionty,“ řekl Andrews.
Řešením týmu bylo umístit na senzor vrstvu polyvinylidenfluoridu. Podle Andrewse má tento materiál dvě klíčové vlastnosti. Zaprvé, má velmi malé póry o velikosti asi 400 nanometrů, které umožňují průchod dusičnanových iontů a zároveň blokují částice půdy. Zadruhé, je hydrofilní, to znamená, že přitahuje vodu a absorbuje ji jako houba.
„Takže jakákoli voda bohatá na dusičnany bude přednostně vsakovat do našich senzorů, což je opravdu důležité, protože půda je také jako houba a pokud nedosáhnete stejné absorpce vody, prohrajete bitvu o vlhkost, která se dostane do senzoru. Potenciál půdy,“ řekl Andrews. „Tyto vlastnosti vrstvy polyvinylidenfluoridu nám umožňují extrahovat vodu bohatou na dusičnany, dopravit ji na povrch senzoru a přesně detekovat dusičnany.“
Výzkumníci podrobně popsali svůj pokrok v článku publikovaném v březnu 2024 v časopise Advanced Materials Technology.
Tým testoval svůj senzor na dvou různých typech půdy spojených s Wisconsinem – písčitých půdách, běžných v severo-centrálních částech státu, a prachovitých hlinitých půdách, běžných v jihozápadním Wisconsinu – a zjistil, že senzory poskytují přesné výsledky.
Výzkumníci nyní integrují svůj senzor dusičnanů do multifunkčního senzorového systému, který nazývají „senzorová nálepka“, v němž jsou tři různé typy senzorů upevněny na flexibilním plastovém povrchu pomocí lepicího podkladu. Nálepky také obsahují senzory vlhkosti a teploty.
Výzkumníci připevní několik senzorických samolepek na sloupek, umístí je do různých výšek a poté sloupek zahrabou do půdy. Toto nastavení jim umožnilo provádět měření v různých hloubkách půdy.
„Měřením dusičnanů, vlhkosti a teploty v různých hloubkách nyní můžeme kvantifikovat proces vyplavování dusičnanů a pochopit, jak se dusičnany pohybují půdou, což dříve nebylo možné,“ řekl Andrews.
V létě roku 2024 plánují vědci umístit 30 senzorových tyčí do půdy v zemědělské výzkumné stanici Hancock a zemědělské výzkumné stanici Arlington na University of Wisconsin-Madison, aby senzor dále otestovali.
Čas zveřejnění: 9. července 2024