Shuohao Cai, seorang pelajar kedoktoran dalam sains tanah, meletakkan batang penderia dengan pelekat penderia pelbagai fungsi yang membolehkan pengukuran pada kedalaman berbeza ke dalam tanah di Stesen Penyelidikan Pertanian Universiti Wisconsin-Madison Hancock.
MADISON - Jurutera Universiti Wisconsin-Madison telah membangunkan penderia kos rendah yang boleh menyediakan pemantauan berterusan masa nyata nitrat dalam jenis tanah Wisconsin biasa. Penderia elektrokimia bercetak ini boleh membantu petani membuat keputusan pengurusan nutrien yang lebih termaklum dan merealisasikan faedah ekonomi.
"Penderia kami boleh memberi petani pemahaman yang lebih baik tentang status pemakanan tanah mereka dan jumlah nitrat yang tersedia untuk tumbuhan mereka, membantu mereka memutuskan dengan lebih tepat berapa banyak baja yang sebenarnya mereka perlukan," kata Joseph Andrews, penolong profesor di Universiti Harvard. Kajian itu diketuai oleh Sekolah Kejuruteraan Mekanikal di Universiti Wisconsin-Madison. "Jika mereka boleh mengurangkan jumlah baja yang mereka beli, penjimatan kos boleh menjadi ketara untuk ladang yang lebih besar."
Nitrat adalah nutrien penting untuk pertumbuhan tanaman, tetapi nitrat yang berlebihan boleh meresap dari tanah dan memasuki air bawah tanah. Pencemaran jenis ini berbahaya kepada orang yang minum air perigi yang tercemar dan berbahaya kepada alam sekitar. Sensor baharu penyelidik juga boleh digunakan sebagai alat penyelidikan pertanian untuk memantau larut lesap nitrat dan membantu membangunkan amalan terbaik untuk mengurangkan kesan berbahayanya.
Kaedah semasa untuk memantau nitrat tanah adalah intensif buruh, mahal, dan tidak menyediakan data masa nyata. Itulah sebabnya pakar elektronik bercetak Andrews dan pasukannya berusaha untuk mencipta penyelesaian yang lebih baik dan lebih murah.
Dalam projek ini, penyelidik menggunakan proses pencetakan inkjet untuk mencipta penderia potensiometri, sejenis penderia elektrokimia filem nipis. Penderia potensiometri sering digunakan untuk mengukur nitrat dalam larutan cecair dengan tepat. Walau bagaimanapun, penderia ini secara amnya tidak sesuai digunakan dalam persekitaran tanah kerana zarah tanah yang besar boleh mencalarkan penderia dan menghalang pengukuran yang tepat.
"Cabaran utama yang kami cuba selesaikan ialah mencari cara untuk mendapatkan penderia elektrokimia ini berfungsi dengan baik dalam keadaan tanah yang keras dan mengesan ion nitrat dengan tepat," kata Andrews.
Penyelesaian pasukan adalah meletakkan lapisan polivinilidena fluorida pada sensor. Menurut Andrews, bahan ini mempunyai dua ciri utama. Pertama, ia mempunyai liang yang sangat kecil, kira-kira 400 nanometer dalam saiz, yang membolehkan ion nitrat melaluinya sambil menyekat zarah tanah. Kedua, ia adalah hidrofilik, iaitu, ia menarik air dan menyerapnya seperti span.
"Jadi mana-mana air yang kaya dengan nitrat lebih suka meresap ke dalam sensor kami, yang sangat penting kerana tanah juga seperti span dan anda akan kalah dalam pertempuran dari segi kelembapan yang masuk ke dalam sensor jika anda tidak boleh mendapatkan penyerapan air yang sama. Potensi tanah," kata Andrews. "Sifat-sifat lapisan polivinilidena fluorida ini membolehkan kami mengekstrak air yang kaya dengan nitrat, menghantarnya ke permukaan penderia dan mengesan nitrat dengan tepat."
Para penyelidik memperincikan kemajuan mereka dalam makalah yang diterbitkan pada Mac 2024 dalam jurnal Advanced Materials Technology.
Pasukan itu menguji penderia mereka pada dua jenis tanah berbeza yang dikaitkan dengan tanah berpasir Wisconsin, biasa di bahagian utara-tengah negeri, dan tanah liat berkelodak, biasa di barat daya Wisconsin-dan mendapati bahawa penderia itu menghasilkan keputusan yang tepat.
Para penyelidik kini mengintegrasikan penderia nitrat mereka ke dalam sistem penderia pelbagai fungsi yang mereka panggil "pelekat sensor", di mana tiga jenis penderia yang berbeza dipasang pada permukaan plastik yang fleksibel menggunakan sandaran pelekat. Pelekat juga mengandungi penderia kelembapan dan suhu.
Penyelidik akan melampirkan beberapa pelekat deria pada tiang, meletakkannya pada ketinggian yang berbeza, dan kemudian menanam tiang itu 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 larut lesap nitrat dan memahami bagaimana nitrat bergerak melalui tanah, yang tidak mungkin berlaku sebelum ini," kata Andrews.
Pada musim panas 2024, para penyelidik merancang untuk meletakkan 30 batang penderia di dalam tanah di Stesen Penyelidikan Pertanian Hancock dan Stesen Penyelidikan Pertanian Arlington di Universiti Wisconsin-Madison untuk menguji lagi penderia itu.
Masa siaran: Jul-09-2024