شوهائو کای، دانشجوی دکترای علوم خاک، یک میله حسگر را با برچسب حسگر چندمنظوره در ایستگاه تحقیقات کشاورزی هنکاک دانشگاه ویسکانسین-مدیسون قرار می‌دهد که امکان اندازه‌گیری در اعماق مختلف خاک را فراهم می‌کند.
مدیسون - مهندسان دانشگاه ویسکانسین-مدیسون حسگرهای کم‌هزینه‌ای توسعه داده‌اند که می‌توانند نظارت مداوم و بلادرنگ بر نیترات را در انواع خاک‌های رایج ویسکانسین فراهم کنند. این حسگرهای الکتروشیمیایی چاپ‌شده می‌توانند به کشاورزان کمک کنند تا تصمیمات آگاهانه‌تری در مورد مدیریت مواد مغذی بگیرند و از مزایای اقتصادی آن بهره‌مند شوند.
جوزف اندروز، استادیار دانشگاه هاروارد، گفت: «حسگرهای ما می‌توانند درک بهتری از وضعیت تغذیه‌ای خاک و میزان نیترات موجود برای گیاهان به کشاورزان ارائه دهند و به آنها کمک کنند تا با دقت بیشتری در مورد میزان کود مورد نیاز خود تصمیم بگیرند.» این مطالعه توسط دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه ویسکانسین-مدیسون انجام شده است. «اگر آنها بتوانند میزان کودی را که خریداری می‌کنند کاهش دهند، صرفه‌جویی در هزینه می‌تواند برای مزارع بزرگتر قابل توجه باشد.»
نیترات‌ها مواد مغذی ضروری برای رشد محصولات کشاورزی هستند، اما نیترات اضافی می‌تواند از خاک شسته شده و وارد آب‌های زیرزمینی شود. این نوع آلودگی برای افرادی که آب چاه آلوده می‌نوشند مضر است و برای محیط زیست نیز مضر است. حسگر جدید محققان همچنین می‌تواند به عنوان یک ابزار تحقیقاتی کشاورزی برای نظارت بر آبشویی نیترات و کمک به توسعه بهترین شیوه‌ها برای کاهش اثرات مضر آن مورد استفاده قرار گیرد.
روش‌های فعلی برای نظارت بر نیترات خاک، پرزحمت و گران هستند و داده‌های بلادرنگ ارائه نمی‌دهند. به همین دلیل است که اندروز، متخصص الکترونیک چاپی، و تیمش برای ایجاد یک راه‌حل بهتر و ارزان‌تر تلاش کردند.
در این پروژه، محققان از فرآیند چاپ جوهرافشان برای ایجاد یک حسگر پتانسیومتری، نوعی حسگر الکتروشیمیایی لایه نازک، استفاده کردند. حسگرهای پتانسیومتری اغلب برای اندازه‌گیری دقیق نیترات در محلول‌های مایع استفاده می‌شوند. با این حال، این حسگرها عموماً برای استفاده در محیط‌های خاکی مناسب نیستند، زیرا ذرات بزرگ خاک می‌توانند حسگرها را خراشیده و مانع از اندازه‌گیری دقیق شوند.
اندروز گفت: «چالش اصلی که ما سعی در حل آن داشتیم، یافتن راهی برای عملکرد صحیح این حسگرهای الکتروشیمیایی در شرایط سخت خاک و تشخیص دقیق یون‌های نیترات بود.»
راه حل این تیم، قرار دادن لایه‌ای از پلی‌وینیلیدین فلوراید روی حسگر بود. به گفته اندروز، این ماده دو ویژگی کلیدی دارد. اول، منافذ بسیار ریزی با اندازه حدود ۴۰۰ نانومتر دارد که به یون‌های نیترات اجازه عبور می‌دهد و در عین حال ذرات خاک را مسدود می‌کند. دوم، آبدوست است، یعنی آب را جذب می‌کند و مانند اسفنج آن را جذب می‌کند.
اندروز گفت: «بنابراین هر آب غنی از نیترات ترجیحاً به حسگرهای ما نفوذ می‌کند، که واقعاً مهم است زیرا خاک نیز مانند اسفنج است و اگر نتوانید همان میزان جذب آب را داشته باشید، در نبرد از نظر ورود رطوبت به حسگر شکست خواهید خورد. پتانسیل خاک.» «این خواص لایه پلی‌وینیلیدین فلوراید به ما این امکان را می‌دهد که آب غنی از نیترات را استخراج کنیم، آن را به سطح حسگر برسانیم و نیترات را به طور دقیق تشخیص دهیم.»
محققان پیشرفت خود را در مقاله‌ای که در مارس ۲۰۲۴ در مجله Advanced Materials Technology منتشر شد، شرح دادند.
این تیم حسگر خود را روی دو نوع خاک مختلف مرتبط با ویسکانسین آزمایش کردند - خاک‌های شنی، که در بخش‌های شمالی-مرکزی ایالت رایج هستند، و خاک‌های لوم سیلتی، که در جنوب غربی ویسکانسین رایج هستند - و دریافتند که حسگرها نتایج دقیقی ارائه می‌دهند.
محققان اکنون حسگر نیترات خود را در یک سیستم حسگر چندمنظوره که آن را «برچسب حسگر» می‌نامند، ادغام می‌کنند. در این سیستم، سه نوع حسگر مختلف با استفاده از یک لایه چسب روی یک سطح پلاستیکی انعطاف‌پذیر نصب می‌شوند. این برچسب‌ها همچنین حاوی حسگرهای رطوبت و دما هستند.
محققان چندین برچسب حسگر را به یک تیرک متصل می‌کنند، آنها را در ارتفاعات مختلف قرار می‌دهند و سپس تیرک را در خاک دفن می‌کنند. این روش به آنها اجازه می‌دهد تا اندازه‌گیری‌ها را در اعماق مختلف خاک انجام دهند.
اندروز گفت: «با اندازه‌گیری نیترات، رطوبت و دما در اعماق مختلف، اکنون می‌توانیم فرآیند آبشویی نیترات را کمّی‌سازی کنیم و بفهمیم که نیترات چگونه در خاک حرکت می‌کند، کاری که قبلاً امکان‌پذیر نبود.»
محققان قصد دارند در تابستان ۲۰۲۴، ۳۰ میله حسگر را در خاک ایستگاه تحقیقات کشاورزی هنکاک و ایستگاه تحقیقات کشاورزی آرلینگتون در دانشگاه ویسکانسین-مدیسون قرار دهند تا حسگر را بیشتر آزمایش کنند.
زمان ارسال: 9 ژوئیه 2024