Shuohao Cai, estudante de doutoramento en ciencias do solo, coloca unha vara sensora cun adhesivo de sensor multifunción que permite realizar medicións a diferentes profundidades no solo na Estación de Investigación Agrícola da Universidade de Wisconsin-Madison Hancock.
MADISON — Enxeñeiros da Universidade de Wisconsin-Madison desenvolveron sensores de baixo custo que poden proporcionar unha monitorización continua e en tempo real dos nitratos nos tipos de solo máis comúns de Wisconsin. Estes sensores electroquímicos impresos poden axudar aos agricultores a tomar decisións máis informadas sobre a xestión de nutrientes e a obter beneficios económicos.
«Os nosos sensores poden darlles aos agricultores unha mellor comprensión do estado nutricional do seu solo e da cantidade de nitratos dispoñibles para as súas plantas, axudándolles a decidir con maior precisión canto fertilizante necesitan realmente», dixo Joseph Andrews, profesor adxunto da Universidade de Harvard. O estudo foi dirixido pola Escola de Enxeñaría Mecánica da Universidade de Wisconsin-Madison. «Se poden reducir a cantidade de fertilizante que compran, o aforro de custos podería ser significativo para as granxas máis grandes».
Os nitratos son un nutriente esencial para o crecemento dos cultivos, pero o exceso de nitratos pode filtrarse do solo e entrar nas augas subterráneas. Este tipo de contaminación é prexudicial para as persoas que beben auga de pozo contaminada e é nocivo para o medio ambiente. O novo sensor dos investigadores tamén podería empregarse como ferramenta de investigación agrícola para monitorizar a lixiviación de nitratos e axudar a desenvolver as mellores prácticas para mitigar os seus efectos nocivos.
Os métodos actuais para monitorizar os nitratos no solo requiren moito traballo, son caros e non proporcionan datos en tempo real. Por iso, o experto en electrónica impresa Andrews e o seu equipo propuxéronse crear unha solución mellor e menos custosa.
Neste proxecto, os investigadores empregaron un proceso de impresión por inxección de tinta para crear un sensor potenciométrico, un tipo de sensor electroquímico de película fina. Os sensores potenciométricos adoitan empregarse para medir con precisión os nitratos en solucións líquidas. Non obstante, estes sensores non adoitan ser axeitados para o seu uso en ambientes de solo porque as partículas grandes do solo poden raiar os sensores e impedir medicións precisas.
«O principal reto que tentabamos resolver era atopar unha maneira de facer que estes sensores electroquímicos funcionasen correctamente en condicións de solo adversas e detectasen con precisión os ións de nitrato», dixo Andrews.
A solución do equipo foi colocar unha capa de fluoruro de polivinilideno no sensor. Segundo Andrews, este material ten dúas características clave. En primeiro lugar, ten poros moi pequenos, duns 400 nanómetros de tamaño, que permiten o paso dos ións de nitrato á vez que bloquean as partículas do solo. En segundo lugar, é hidrófilo, é dicir, atrae a auga e absórbea como unha esponxa.
«Entón, calquera auga rica en nitratos filtrarase preferentemente nos nosos sensores, o que é realmente importante porque o solo tamén é coma unha esponxa e perderás a batalla en termos de humidade que entra no sensor se non podes obter a mesma absorción de auga. Potencial do solo», dixo Andrews. «Estas propiedades da capa de fluoruro de polivinilideno permítennos extraer auga rica en nitratos, levala á superficie do sensor e detectar con precisión os nitratos».
Os investigadores detallaron os seus progresos nun artigo publicado en marzo de 2024 na revista Advanced Materials Technology.
O equipo probou o seu sensor en dous tipos de solo diferentes asociados con Wisconsin (solos areosos, comúns nas zonas centro-norte do estado, e limosos francos, comúns no suroeste de Wisconsin) e descubriu que os sensores producían resultados precisos.
Os investigadores están a integrar agora o seu sensor de nitratos nun sistema de sensores multifuncional que denominan "adhesivo de sensor", no que tres tipos diferentes de sensores se montan nunha superficie de plástico flexible mediante un soporte adhesivo. Os adhesivos tamén conteñen sensores de humidade e temperatura.
Os investigadores colocarán varias pegatinas sensoriais nun poste, colocaránas a diferentes alturas e logo enterrarán o poste no chan. Esta configuración permitiulles tomar medicións a diferentes profundidades do solo.
«Ao medir os nitratos, a humidade e a temperatura a diferentes profundidades, agora podemos cuantificar o proceso de lixiviación dos nitratos e comprender como se moven a través do solo, o que antes non era posible», dixo Andrews.
No verán de 2024, os investigadores planean colocar 30 varas sensoras no solo na Estación de Investigación Agrícola de Hancock e na Estación de Investigación Agrícola de Arlington da Universidade de Wisconsin-Madison para probar máis o sensor.
Data de publicación: 09-07-2024