Shuohao Cai, 'n doktorale student in grondkunde, plaas 'n sensorstaaf met 'n multifunksie-sensorplakker wat metings op verskillende dieptes in die grond moontlik maak by die Universiteit van Wisconsin-Madison Hancock Landbounavorsingstasie.
MADISON — Ingenieurs van die Universiteit van Wisconsin-Madison het laekoste-sensors ontwikkel wat deurlopende, intydse monitering van nitraat in algemene Wisconsin-grondtipes kan bied. Hierdie gedrukte elektrochemiese sensors kan boere help om meer ingeligte besluite oor voedingstofbestuur te neem en ekonomiese voordele te realiseer.
“Ons sensors kan boere 'n beter begrip gee van die voedingstatus van hul grond en die hoeveelheid nitraat wat vir hul plante beskikbaar is, wat hulle help om meer akkuraat te besluit hoeveel kunsmis hulle eintlik benodig,” het Joseph Andrews, assistent-professor aan die Harvard-universiteit, gesê. Die studie is gelei deur die Skool vir Meganiese Ingenieurswese aan die Universiteit van Wisconsin-Madison. “As hulle die hoeveelheid kunsmis wat hulle koop, kan verminder, kan die kostebesparings beduidend wees vir groter plase.”
Nitrate is 'n noodsaaklike voedingstof vir gewasgroei, maar oortollige nitrate kan uit die grond loog en in die grondwater beland. Hierdie tipe besoedeling is skadelik vir mense wat besoedelde putwater drink en is skadelik vir die omgewing. Die navorsers se nuwe sensor kan ook as 'n landbounavorsingsinstrument gebruik word om nitraatloging te monitor en te help om beste praktyke te ontwikkel om die skadelike gevolge daarvan te verminder.
Huidige metodes vir die monitering van grondnitraat is arbeidsintensief, duur en verskaf nie intydse data nie. Daarom het Andrews, 'n kenner van gedrukte elektronika, en sy span 'n beter, goedkoper oplossing probeer skep.
In hierdie projek het die navorsers 'n inkstraaldrukproses gebruik om 'n potensiometriese sensor te skep, 'n tipe dunfilm-elektrochemiese sensor. Potensiometriese sensors word dikwels gebruik om nitraat in vloeibare oplossings akkuraat te meet. Hierdie sensors is egter oor die algemeen nie geskik vir gebruik in grondomgewings nie, omdat groot gronddeeltjies die sensors kan krap en akkurate metings kan voorkom.
“Die grootste uitdaging wat ons probeer oplos het, was om 'n manier te vind om hierdie elektrochemiese sensors behoorlik te laat werk in strawwe grondtoestande en nitraatione akkuraat op te spoor,” het Andrews gesê.
Die span se oplossing was om 'n laag polivinilideenfluoried op die sensor te plaas. Volgens Andrews het hierdie materiaal twee sleutelkenmerke. Eerstens het dit baie klein porieë, ongeveer 400 nanometer groot, wat nitraatione toelaat om deur te beweeg terwyl gronddeeltjies geblokkeer word. Tweedens is dit hidrofilies, dit wil sê, dit trek water aan en absorbeer dit soos 'n spons.
“Dus sal enige nitraatryke water verkieslik in ons sensors insypel, wat baie belangrik is, want grond is ook soos 'n spons en jy gaan die stryd verloor in terme van vog wat in die sensor insypel as jy nie dieselfde waterabsorpsie kan kry nie. Grondpotensiaal,” het Andrews gesê. “Hierdie eienskappe van die polivinilideenfluoriedlaag stel ons in staat om nitraatryke water te onttrek, dit na die sensoroppervlak te lewer en nitraat akkuraat op te spoor.”
Die navorsers het hul vordering in detail uiteengesit in 'n artikel wat in Maart 2024 in die tydskrif Advanced Materials Technology gepubliseer is.
Die span het hul sensor op twee verskillende grondtipes getoets wat met Wisconsin geassosieer word—sandgrond, algemeen in noord-sentrale dele van die staat, en slikagtige leemgrond, algemeen in suidwestelike Wisconsin—en gevind dat die sensors akkurate resultate opgelewer het.
Die navorsers integreer nou hul nitraatsensor in 'n multifunksionele sensorstelsel wat hulle 'n "sensorplakker" noem, waarin drie verskillende tipes sensors met behulp van 'n kleefmiddel op 'n buigsame plastiekoppervlak gemonteer word. Die plakkers bevat ook humiditeits- en temperatuursensors.
Navorsers sal verskeie sensoriese plakkers aan 'n paal heg, dit op verskillende hoogtes plaas en dan die paal in die grond begrawe. Hierdie opstelling het hulle toegelaat om metings op verskillende gronddieptes te neem.
“Deur nitraat, vog en temperatuur op verskillende dieptes te meet, kan ons nou die nitraatuitlogingsproses kwantifiseer en verstaan hoe nitraat deur die grond beweeg, wat voorheen nie moontlik was nie,” het Andrews gesê.
In die somer van 2024 beplan die navorsers om 30 sensorstawe in grond by die Hancock Landbounavorsingstasie en die Arlington Landbounavorsingstasie by die Universiteit van Wisconsin-Madison te plaas om die sensor verder te toets.
Plasingstyd: 09 Julie 2024