Shuohao Cai, seorang pelajar kedoktoran dalam sains tanah, meletakkan rod sensor dengan pelekat sensor pelbagai fungsi yang membolehkan pengukuran pada kedalaman yang berbeza ke dalam tanah di Stesen Penyelidikan Pertanian Universiti Wisconsin-Madison Hancock.
MADISON — Jurutera Universiti Wisconsin-Madison telah membangunkan sensor kos rendah yang boleh menyediakan pemantauan nitrat secara berterusan dan masa nyata dalam jenis tanah Wisconsin yang biasa. Sensor elektrokimia bercetak ini boleh membantu petani membuat keputusan pengurusan nutrien yang lebih bermaklumat dan merealisasikan faedah ekonomi.
“Sensor kami dapat memberi petani pemahaman yang lebih baik tentang status pemakanan tanah mereka dan jumlah nitrat yang tersedia untuk tanaman mereka, membantu mereka memutuskan dengan lebih tepat berapa banyak baja yang sebenarnya mereka perlukan,” kata Joseph Andrews, penolong profesor di Universiti Harvard. Kajian ini diketuai oleh Sekolah Kejuruteraan Mekanikal di Universiti Wisconsin-Madison. “Jika mereka dapat mengurangkan jumlah baja yang mereka beli, penjimatan kos boleh menjadi ketara untuk ladang yang lebih besar.”
Nitrat merupakan nutrien penting untuk pertumbuhan tanaman, tetapi nitrat berlebihan boleh terlarut dari tanah dan memasuki air bawah tanah. Jenis pencemaran ini berbahaya kepada orang yang meminum air perigi yang tercemar dan berbahaya kepada alam sekitar. Sensor baharu penyelidik juga boleh digunakan sebagai alat penyelidikan pertanian untuk memantau larut nitrat dan membantu membangunkan amalan terbaik untuk mengurangkan kesan berbahayanya.
Kaedah semasa untuk memantau nitrat tanah memerlukan banyak tenaga kerja, mahal, dan tidak menyediakan data masa nyata. Itulah sebabnya pakar elektronik bercetak Andrews dan pasukannya berusaha untuk mencipta penyelesaian yang lebih baik dan kurang mahal.
Dalam projek ini, para penyelidik menggunakan proses pencetakan inkjet untuk mencipta sensor potensiometrik, sejenis sensor elektrokimia filem nipis. Sensor potensiometrik sering digunakan untuk mengukur nitrat dalam larutan cecair dengan tepat. Walau bagaimanapun, sensor ini secara amnya tidak sesuai digunakan dalam persekitaran tanah kerana zarah tanah yang besar boleh menggaru sensor dan menghalang pengukuran yang tepat.
"Cabaran utama yang kami cuba selesaikan adalah untuk mencari cara agar sensor elektrokimia ini berfungsi dengan baik dalam keadaan tanah yang keras dan mengesan ion nitrat dengan tepat," kata Andrews.
Penyelesaian pasukan itu adalah dengan meletakkan lapisan polivinilidena fluorida pada sensor. Menurut Andrews, bahan ini mempunyai dua ciri utama. Pertama, ia mempunyai liang yang sangat kecil, bersaiz kira-kira 400 nanometer, yang membolehkan ion nitrat melaluinya sambil menyekat zarah tanah. Kedua, ia bersifat hidrofilik, iaitu ia menarik air dan menyerapnya seperti span.
“Jadi, sebarang air yang kaya dengan nitrat akan meresap ke dalam sensor kita secara pilihan, yang mana sangat penting kerana tanah juga seperti span dan anda akan kalah dalam pertempuran dari segi kelembapan yang masuk ke dalam sensor jika anda tidak dapat memperoleh penyerapan air yang sama. Potensi tanah,” kata Andrews. “Sifat-sifat lapisan polivinilidena fluorida ini membolehkan kita mengekstrak air yang kaya dengan nitrat, menghantarnya ke permukaan sensor dan mengesan nitrat dengan tepat.”
Para penyelidik memperincikan kemajuan mereka dalam satu kertas kerja yang diterbitkan pada Mac 2024 dalam jurnal Advanced Materials Technology.
Pasukan itu menguji sensor mereka pada dua jenis tanah berbeza yang berkaitan dengan tanah berpasir Wisconsin, yang biasa terdapat di bahagian utara-tengah negeri ini, dan tanah liat berkelodak, yang biasa terdapat di barat daya Wisconsin-dan mendapati bahawa sensor tersebut menghasilkan keputusan yang tepat.
Para penyelidik kini sedang mengintegrasikan sensor nitrat mereka ke dalam sistem sensor pelbagai fungsi yang mereka panggil "pelekat sensor", di mana tiga jenis sensor berbeza dipasang pada permukaan plastik fleksibel menggunakan lapisan pelekat. Pelekat tersebut juga mengandungi sensor kelembapan dan suhu.
Penyelidik akan melekatkan beberapa pelekat deria pada tiang, meletakkannya pada ketinggian yang berbeza, dan kemudian menanam tiang tersebut di dalam tanah. Persediaan ini membolehkan mereka mengambil ukuran pada kedalaman tanah yang berbeza.
"Dengan mengukur nitrat, kelembapan dan suhu pada kedalaman yang berbeza, kita kini boleh mengukur proses pelarutan nitrat dan memahami bagaimana nitrat bergerak melalui tanah, yang tidak mungkin sebelum ini," kata Andrews.
Pada musim panas tahun 2024, para penyelidik merancang untuk meletakkan 30 rod sensor di dalam tanah di Stesen Penyelidikan Pertanian Hancock dan Stesen Penyelidikan Pertanian Arlington di Universiti Wisconsin-Madison untuk menguji sensor tersebut dengan lebih lanjut.
Masa siaran: 9 Julai 2024