Inženjeri Univerziteta Viskonsin–Medison razvili su jeftine senzore koji omogućavaju u realnom vremenu, kontinuirano praćenje nitrata u tipovima zemljišta koji su uobičajeni u Viskonsinu. Ovi štampani elektrohemijski senzori mogli bi da omoguće poljoprivrednicima da donesu bolje informisane odluke o upravljanju hranljivim materijama i ostvare ekonomske koristi.
„Naši senzori bi poljoprivrednicima mogli da pruže bolje razumevanje profila hranljivih materija u njihovom zemljištu i koliko je nitrata dostupno biljkama, pomažući im da donesu preciznije odluke o tome koliko im je đubriva zaista potrebno“, kaže Džozef Endruz, docent mašinstva na UV-Madison koji je vodio istraživanje. „Ako mogu da kupe manje đubriva, uštede bi mogle biti prilično značajne na farmama velikih površina.“
Dok je nitrat esencijalni nutrijent za uzgoj useva, višak nitrata može da se iscuri iz zemlje i u podzemne vode. Ova vrsta zagađenja je opasna za ljude koji piju kontaminiranu bunarsku vodu i štetna je za životnu sredinu. Novi senzori istraživača takođe bi se mogli koristiti kao alat za poljoprivredna istraživanja za praćenje ispiranja nitrata i pomoći u vođenju najboljih praksi za ublažavanje njegovih štetnih efekata.
Trenutne metode za praćenje nitrata u zemljištu su naporne, skupe i ne daju podatke u realnom vremenu. Zato su Endruz, stručnjak za štampanu elektroniku, i njegov tim krenuli da kreiraju bolje i jeftinije rešenje.
Za ovaj projekat, istraživači su koristili proces inkjet štampanja za proizvodnju potenciometrijskih senzora, vrste elektrohemijskog senzora sa tankim filmom. Potenciometrijski senzori se obično koriste za precizno merenje nitrata u tečnim rastvorima. Međutim, ovi senzori obično nisu pogodni za upotrebu u zemljištu, gde će ih grube čestice tla izgrebati i ometati dobijanje tačnih merenja.
„Glavni izazov koji smo pokušavali da rešimo je pronalaženje načina da omogućimo ovim elektrohemijskim senzorima da dobro rade u surovim uslovima tla i precizno osete nitratne jone“, kaže Endruz.
Rešenje tima je bilo postavljanje sloja preko senzora napravljenog od poliviniliden fluorida. Endruz kaže da ovaj materijal ima dve ključne karakteristike. Prvo, ima veoma sitne pore, veličine oko 400 nanometara, koje omogućavaju nitratnim jonima da prolaze kroz njih dok blokiraju čestice tla. Drugo, hidrofilan je, što znači da privlači vodu i deluje kao sunđer da bi je apsorbovao.
„Dakle, svaka voda napunjena nitratima se prvenstveno upija u naš senzor, a ovo je zaista važno jer se tlo takođe ponaša kao sunđer, a vi ćete imati izgubljenu bitku da vlaga dođe do vašeg senzora osim ako ne možete da se parirate potencijal tla za apsorpciju vode“, kaže Andrevs. „Ove karakteristike sloja poliviniliden fluorida omogućavaju nam da izvučemo vodu punu nitrata, iznesemo je na površinu našeg senzora i precizno osetimo nitrate.
Istraživači su detaljno opisali svoj napredak u radu objavljenom u martu 2024. u časopisu Advanced Material Technologies.
Tim je testirao svoje senzore u dva različita tipa tla koji su relevantni za Viskonsin – peskovito zemljište, koje je uobičajeno u severno-centralnom delu države, i muljevito ilovasto zemljište, koje je uobičajeno u jugozapadnom Viskonsinu – i otkrio da senzori proizveo tačne rezultate.
Istraživači sada ugrađuju svoje nitratne senzore u multifunkcionalni senzorski sistem koji nazivaju „senzirna nalepnica“, u kojoj su tri različite vrste senzora montirane na fleksibilnu plastičnu površinu sa lepkom na poleđini. Ove nalepnice takođe sadrže senzore vlage i temperature.
Istraživači će pričvrstiti nekoliko senzorskih nalepnica na šipku, pozicionirajući ih na različitim visinama, a zatim zakopati štap u zemlju. Ova postavka im omogućava da vrše merenja na više dubina u tlu.
„Merenjem nitrata, vlage i temperature na različitim dubinama, sada možemo kvantifikovati proces ispiranja nitrata i uhvatiti kako se nitrat kreće kroz tlo, što ranije nije bilo moguće“, kaže Endruz.
U leto 2024. istraživači planiraju da sprovedu dalja testiranja sa svojim senzorima tako što će postaviti 30 senzorskih štapova u tlo na UV-Madisonovoj poljoprivrednoj istraživačkoj stanici Hancock i Stanici za poljoprivredna istraživanja u Arlingtonu.
