Shuohao Cai, en doktorand i jordvidenskab, placerer en sensorstang med et multifunktionelt sensorklistermærke, der tillader målinger i forskellige dybder ned i jorden på University of Wisconsin-Madison Hancock Agricultural Research Station.
MADISON — Ingeniører fra University of Wisconsin-Madison har udviklet billige sensorer, der kan give kontinuerlig overvågning af nitrat i realtid i almindelige jordtyper i Wisconsin. Disse trykte elektrokemiske sensorer kan hjælpe landmænd med at træffe mere informerede beslutninger om næringsstofhåndtering og realisere økonomiske fordele.
"Vores sensorer kan give landmænd en bedre forståelse af jordens næringsstatus og mængden af nitrat, der er tilgængelig for deres planter, hvilket hjælper dem med mere præcist at bestemme, hvor meget gødning de rent faktisk har brug for," sagde Joseph Andrews, adjunkt ved Harvard University. Undersøgelsen blev ledet af School of Mechanical Engineering ved University of Wisconsin-Madison. "Hvis de kan reducere mængden af gødning, de køber, kan omkostningsbesparelserne være betydelige for større landbrug."
Nitrater er et essentielt næringsstof for afgrøders vækst, men overskydende nitrater kan udsives fra jorden og komme ind i grundvandet. Denne type forurening er skadelig for folk, der drikker forurenet brøndvand, og er skadelig for miljøet. Forskernes nye sensor kan også bruges som et landbrugsforskningsværktøj til at overvåge nitratudvaskning og hjælpe med at udvikle bedste praksis til at afbøde dens skadelige virkninger.
Nuværende metoder til overvågning af nitrat i jorden er arbejdskrævende, dyre og giver ikke data i realtid. Derfor satte Andrews, ekspert i trykt elektronik, og hans team sig for at skabe en bedre og billigere løsning.
I dette projekt brugte forskerne en inkjet-printproces til at skabe en potentiometrisk sensor, en type tyndfilms elektrokemisk sensor. Potentiometriske sensorer bruges ofte til præcist at måle nitrat i flydende opløsninger. Disse sensorer er dog generelt ikke egnede til brug i jordmiljøer, fordi store jordpartikler kan ridse sensorerne og forhindre nøjagtige målinger.
"Den største udfordring, vi forsøgte at løse, var at finde en måde at få disse elektrokemiske sensorer til at fungere korrekt under barske jordforhold og præcist detektere nitrationer," sagde Andrews.
Holdets løsning var at placere et lag polyvinylidenfluorid på sensoren. Ifølge Andrews har dette materiale to vigtige egenskaber. For det første har det meget små porer, omkring 400 nanometer i størrelse, som tillader nitrationer at passere igennem, samtidig med at det blokerer jordpartikler. For det andet er det hydrofilt, det vil sige, at det tiltrækker vand og absorberer det som en svamp.
"Så alt nitratrigt vand vil fortrinsvis sive ind i vores sensorer, hvilket er virkelig vigtigt, fordi jorden også er som en svamp, og du vil tabe kampen med hensyn til fugt, der kommer ind i sensoren, hvis du ikke kan opnå den samme vandabsorption. Jordens potentiale," sagde Andrews. "Disse egenskaber ved polyvinylidenfluoridlaget giver os mulighed for at udvinde nitratrigt vand, levere det til sensoroverfladen og præcist detektere nitrat."
Forskerne beskrev deres fremskridt i en artikel offentliggjort i marts 2024 i tidsskriftet Advanced Materials Technology.
Holdet testede deres sensor på to forskellige jordtyper forbundet med Wisconsin - sandet jord, almindelig i de nord-centrale dele af staten, og siltet lerjord, almindelig i det sydvestlige Wisconsin - og fandt ud af, at sensorerne producerede nøjagtige resultater.
Forskerne integrerer nu deres nitratsensor i et multifunktionelt sensorsystem, de kalder et "sensorklistermærke", hvor tre forskellige typer sensorer er monteret på en fleksibel plastoverflade ved hjælp af en klæbende bagside. Klistermærkerne indeholder også fugtigheds- og temperatursensorer.
Forskerne vil fastgøre adskillige sensoriske klistermærker til en stolpe, placere dem i forskellige højder og derefter begrave stolpen i jorden. Denne opsætning gjorde det muligt for dem at foretage målinger i forskellige jorddybder.
"Ved at måle nitrat, fugtighed og temperatur i forskellige dybder kan vi nu kvantificere nitratudvaskningsprocessen og forstå, hvordan nitrat bevæger sig gennem jorden, hvilket ikke var muligt før," sagde Andrews.
I sommeren 2024 planlægger forskerne at placere 30 sensorstave i jorden på Hancock Agricultural Research Station og Arlington Agricultural Research Station ved University of Wisconsin-Madison for yderligere at teste sensoren.
Opslagstidspunkt: 9. juli 2024