Shuohao Cai, estudiant de doctorat en ciències del sòl, col·loca una vareta sensora amb una etiqueta adhesiva de sensor multifunció que permet mesuraments a diferents profunditats al sòl a l'Estació de Recerca Agrícola de la Universitat de Wisconsin-Madison Hancock.
MADISON — Enginyers de la Universitat de Wisconsin-Madison han desenvolupat sensors de baix cost que poden proporcionar un seguiment continu i en temps real dels nitrats en els tipus de sòl més comuns de Wisconsin. Aquests sensors electroquímics impresos poden ajudar els agricultors a prendre decisions més informades sobre la gestió de nutrients i a obtenir beneficis econòmics.
«Els nostres sensors poden donar als agricultors una millor comprensió de l'estat nutricional del seu sòl i de la quantitat de nitrat disponible per a les seves plantes, cosa que els ajuda a decidir amb més precisió quant fertilitzant necessiten realment», va dir Joseph Andrews, professor ajudant a la Universitat de Harvard. L'estudi va ser dirigit per l'Escola d'Enginyeria Mecànica de la Universitat de Wisconsin-Madison. «Si poden reduir la quantitat de fertilitzant que compren, l'estalvi de costos podria ser significatiu per a les granges més grans».
Els nitrats són un nutrient essencial per al creixement dels cultius, però l'excés de nitrats es pot filtrar del sòl i entrar a les aigües subterrànies. Aquest tipus de contaminació és perjudicial per a les persones que beuen aigua de pou contaminada i és perjudicial per al medi ambient. El nou sensor dels investigadors també es podria utilitzar com a eina de recerca agrícola per controlar la lixiviació de nitrats i ajudar a desenvolupar les millors pràctiques per mitigar els seus efectes nocius.
Els mètodes actuals per controlar els nitrats del sòl requereixen molta mà d'obra, són cars i no proporcionen dades en temps real. És per això que l'expert en electrònica impresa Andrews i el seu equip es van proposar crear una solució millor i menys costosa.
En aquest projecte, els investigadors van utilitzar un procés d'impressió per raig de tinta per crear un sensor potenciomètric, un tipus de sensor electroquímic de pel·lícula fina. Els sensors potenciomètrics s'utilitzen sovint per mesurar amb precisió el nitrat en solucions líquides. Tanmateix, aquests sensors generalment no són adequats per al seu ús en entorns de sòl perquè les partícules grans del sòl poden ratllar els sensors i impedir mesures precises.
«El principal repte que intentàvem resoldre era trobar una manera de fer que aquests sensors electroquímics funcionessin correctament en condicions de sòl dures i detectessin amb precisió els ions de nitrat», va dir Andrews.
La solució de l'equip va ser col·locar una capa de fluorur de polivinilidè al sensor. Segons Andrews, aquest material té dues característiques clau. En primer lloc, té porus molt petits, d'uns 400 nanòmetres de mida, que permeten que els ions de nitrat passin alhora que bloquegen les partícules del sòl. En segon lloc, és hidròfil, és a dir, atrau l'aigua i l'absorbeix com una esponja.
«Així doncs, qualsevol aigua rica en nitrats s'infiltrarà preferentment als nostres sensors, cosa que és realment important perquè el sòl també és com una esponja i perdreu la batalla pel que fa a l'entrada d'humitat al sensor si no podeu obtenir la mateixa absorció d'aigua. Potencial del sòl», va dir Andrews. «Aquestes propietats de la capa de fluorur de polivinilidè ens permeten extreure aigua rica en nitrats, lliurar-la a la superfície del sensor i detectar amb precisió el nitrat».
Els investigadors van detallar els seus progressos en un article publicat el març de 2024 a la revista Advanced Materials Technology.
L'equip va provar el seu sensor en dos tipus de sòl diferents associats amb Wisconsin: sòls sorrencs, comuns a les parts del centre-nord de l'estat, i sòls llimosos, comuns al sud-oest de Wisconsin, i va descobrir que els sensors produïen resultats precisos.
Els investigadors estan integrant ara el seu sensor de nitrats en un sistema de sensors multifuncional que anomenen "adhesiu de sensor", en què tres tipus diferents de sensors es munten sobre una superfície de plàstic flexible mitjançant un suport adhesiu. Els adhesius també contenen sensors d'humitat i temperatura.
Els investigadors enganxaran diverses adhesius sensorials a un pal, els col·locaran a diferents altures i després enterraran el pal a la terra. Aquesta configuració els va permetre prendre mesures a diferents profunditats del sòl.
«Mesurant el nitrat, la humitat i la temperatura a diferents profunditats, ara podem quantificar el procés de lixiviació del nitrat i entendre com es mou el nitrat pel sòl, cosa que abans no era possible», va dir Andrews.
L'estiu del 2024, els investigadors tenen previst col·locar 30 barres sensores al sòl de l'Estació de Recerca Agrícola de Hancock i de l'Estació de Recerca Agrícola d'Arlington de la Universitat de Wisconsin-Madison per provar més a fons el sensor.
Data de publicació: 09 de juliol de 2024