Merenje temperature i nivoa azota u zemljištu je važno za poljoprivredne sisteme, ali ih je teško otkriti odvojeno. Huaniu „Larri“ Cheng, James L. Henderson, Jr. Memorijal vanredni profesor inženjerskih nauka i mehanike u Penn State, predvodili su istraživače u razvoju višeparametarskog senzora koji može efikasno da razdvoji temperaturu i signale azota tako da se svaki može izmeriti tačno. Rezultate je nedavno objavio Advanced Materials.
„Za efikasno đubrenje, postoji potreba za kontinuiranim praćenjem stanja zemljišta u realnom vremenu, posebno iskorišćenja azota i temperature zemljišta“, rekao je Čeng. „Ovo je od suštinskog značaja za procenu zdravlja useva, smanjenje zagađenja životne sredine i promovisanje održive i precizne poljoprivrede.“
Korišćenje azota kao đubriva je uobičajena praksa u poljoprivredi, a cilj je da se iskoristi idealna količina za najbolji prinos. Kada se koristi premalo azota, prinos useva može biti manji od optimalnog. Kada se koristi previše, đubrivo se troši, biljke mogu sagoreti i štetni azotni gasovi se oslobađaju u životnu sredinu. Precizno otkrivanje nivoa azota — konkretno, gubitka azota u obliku gasa — može pomoći poljoprivrednicima da postignu optimalne nivoe đubrenja za rast biljaka.
„Na rast biljaka utiče i temperatura, koja utiče na fizičke, hemijske i mikrobiološke procese u zemljištu“, rekao je koautor Li Jang, profesor na Školi veštačke inteligencije na kineskom tehnološkom univerzitetu Hebei. „Kontinuirano praćenje omogućava poljoprivrednicima da razviju strategije i intervencije kada su temperature prevruće ili preniske za njihove useve.
Nažalost, i gasovi i temperatura – zajedno sa varijacijama relativne vlažnosti – mogu izazvati promene u očitavanju otpora senzora, tako da senzor ne može da ih razlikuje. Mehanizmi senzora koji mogu da dobiju gas azota i merenja temperature nezavisno jedno od drugog se retko prijavljuju, kaže Čeng.
Čengov tim je dizajnirao i proizveo senzor visokih performansi kako bi u potpunosti razdvojio detekciju gubitka azota i temperature zemljišta. Senzor sa više parametara je zasnovan na grafenskoj peni dopiranoj vanadijum oksidom, laserski indukovanoj. Vanadijum oksid može da adsorbuje i reaguje sa azotnim gasovima, a otkriveno je i da doping metalni kompleksi u grafenu poboljšavaju adsorpciju gasa i osetljivost detekcije.
Senzor je inkapsuliran mekom membranom koja blokira prodiranje gasa azota tako da senzor reaguje samo na varijacije temperature. Dodatno, inkapsulacija se može ukloniti i senzor raditi na povišenoj temperaturi. Na taj način se uklanja uticaj relativne vlažnosti i temperature u tlu kako bi se omogućilo precizno merenje azotnog gasa. Kombinacija inkapsuliranog senzora i nekapsuliranog senzora može potpuno odvojiti temperaturu i gas azota bez smetnji.
Razdvajanje temperaturnih varijacija i emisija azotnih gasova mogu se iskoristiti za projektovanje i primenu multimodalnih uređaja sa odvojenim senzorskim mehanizmima za preciznu poljoprivredu u svim vremenskim uslovima, prema Čengu.
„Sposobnost istovremenog otkrivanja ultraniskih koncentracija azotnih oksida i malih temperaturnih promena otvara put razvoju budućih multimodalnih elektronskih uređaja sa odvojenim senzorskim mehanizmima za preciznu poljoprivredu, praćenje zdravlja i druge aplikacije“, rekao je Čeng.
