Ang mga inhinyero ng MADISON University of Wisconsin-Madison ay nakabuo ng mga murang sensor ng lupa

Si Shuohao Cai, isang mag-aaral ng doktorado sa agham ng lupa, ay naglagay ng isang sensor rod na may multifunction sensor sticker na nagbibigay-daan sa mga sukat sa iba't ibang lalim sa lupa sa University of Wisconsin-Madison Hancock Agricultural Research Station.
MADISON — Nakabuo ang mga inhinyero ng University of Wisconsin-Madison ng mga murang sensor na maaaring magbigay ng tuluy-tuloy at real-time na pagsubaybay sa nitrate sa mga karaniwang uri ng lupa sa Wisconsin. Ang mga naka-print na electrochemical sensor na ito ay makakatulong sa mga magsasaka na gumawa ng mas matalinong mga desisyon sa pamamahala ng sustansya at makamit ang mga benepisyong pang-ekonomiya.
“Mas mapapaunawa ng aming mga sensor sa mga magsasaka ang kalagayan ng nutrisyon ng kanilang lupa at ang dami ng nitrate na makukuha ng kanilang mga halaman, na tutulong sa kanila na mas tumpak na magdesisyon kung gaano karaming pataba ang talagang kailangan nila,” sabi ni Joseph Andrews, assistant professor sa Harvard University. Ang pag-aaral ay pinangunahan ng School of Mechanical Engineering sa University of Wisconsin-Madison. “Kung mababawasan nila ang dami ng pataba na kanilang binibili, maaaring maging malaki ang matitipid sa gastos para sa mas malalaking sakahan.”
Ang mga nitrate ay isang mahalagang sustansya para sa paglaki ng pananim, ngunit ang labis na nitrate ay maaaring tumagas mula sa lupa at makapasok sa tubig sa lupa. Ang ganitong uri ng kontaminasyon ay nakakapinsala sa mga taong umiinom ng kontaminadong tubig mula sa balon at nakakapinsala sa kapaligiran. Ang bagong sensor ng mga mananaliksik ay maaari ding gamitin bilang isang kasangkapan sa pananaliksik sa agrikultura upang masubaybayan ang pagtagas ng nitrate at makatulong sa pagbuo ng mga pinakamahusay na kasanayan para sa pagpapagaan ng mga mapaminsalang epekto nito.
Ang mga kasalukuyang pamamaraan para sa pagsubaybay sa nitrate sa lupa ay matrabaho, magastos, at hindi nagbibigay ng real-time na datos. Kaya naman sinikap ng printed electronics expert na si Andrews at ng kanyang pangkat na lumikha ng mas mahusay at mas murang solusyon.
Sa proyektong ito, gumamit ang mga mananaliksik ng proseso ng inkjet printing upang lumikha ng potentiometric sensor, isang uri ng thin-film electrochemical sensor. Ang mga potentiometric sensor ay kadalasang ginagamit upang tumpak na sukatin ang nitrate sa mga likidong solusyon. Gayunpaman, ang mga sensor na ito ay karaniwang hindi angkop gamitin sa mga kapaligiran ng lupa dahil ang malalaking partikulo ng lupa ay maaaring makagasgas sa mga sensor at makahadlang sa tumpak na mga sukat.
"Ang pangunahing hamon na sinusubukan naming lutasin ay ang makahanap ng paraan upang gumana nang maayos ang mga electrochemical sensor na ito sa malupit na kondisyon ng lupa at tumpak na matukoy ang mga nitrate ion," sabi ni Andrews.
Ang solusyon ng pangkat ay ang paglalagay ng isang patong ng polyvinylidene fluoride sa sensor. Ayon kay Andrews, ang materyal na ito ay may dalawang pangunahing katangian. Una, mayroon itong napakaliit na mga butas, na may sukat na humigit-kumulang 400 nanometer, na nagpapahintulot sa mga nitrate ion na dumaan habang hinaharangan ang mga partikulo ng lupa. Pangalawa, ito ay hydrophilic, ibig sabihin, umaakit ito ng tubig at sumisipsip nito na parang espongha.
“Kaya anumang tubig na mayaman sa nitrate ay mas malamang na tumagos sa ating mga sensor, na talagang mahalaga dahil ang lupa ay parang espongha din at matatalo ka sa laban pagdating sa pagpasok ng kahalumigmigan sa sensor kung hindi mo makukuha ang parehong pagsipsip ng tubig. Potensyal ng lupa,” sabi ni Andrews. “Ang mga katangiang ito ng polyvinylidene fluoride layer ay nagbibigay-daan sa atin na kumuha ng tubig na mayaman sa nitrate, ihatid ito sa ibabaw ng sensor at tumpak na matukoy ang nitrate.”
Inilarawan nang detalyado ng mga mananaliksik ang kanilang pag-unlad sa isang papel na inilathala noong Marso 2024 sa journal na Advanced Materials Technology.
Sinubukan ng pangkat ang kanilang sensor sa dalawang magkaibang uri ng lupa na nauugnay sa Wisconsin—mga mabuhanging lupa, karaniwan sa mga hilagang-gitnang bahagi ng estado, at mga mabuhanging loam, karaniwan sa timog-kanlurang Wisconsin—at natuklasan na ang mga sensor ay nakagawa ng mga tumpak na resulta.
Isinasama na ngayon ng mga mananaliksik ang kanilang nitrate sensor sa isang multifunctional sensor system na tinatawag nilang "sensor sticker," kung saan tatlong magkakaibang uri ng sensor ang nakakabit sa isang flexible na plastik na ibabaw gamit ang isang adhesive backing. Naglalaman din ang mga sticker ng humidity at temperature sensor.
Magkakabit ang mga mananaliksik ng ilang sensory sticker sa isang poste, ilalagay ang mga ito sa iba't ibang taas, at pagkatapos ay ililibing ang poste sa lupa. Ang setup na ito ay nagbigay-daan sa kanila na kumuha ng mga sukat sa iba't ibang lalim ng lupa.
"Sa pamamagitan ng pagsukat ng nitrate, kahalumigmigan at temperatura sa iba't ibang kalaliman, maaari na nating bilangin ang proseso ng pag-leaching ng nitrate at maunawaan kung paano gumagalaw ang nitrate sa lupa, na hindi posible noon," sabi ni Andrews.
Sa tag-araw ng 2024, plano ng mga mananaliksik na maglagay ng 30 sensor rod sa lupa sa Hancock Agricultural Research Station at sa Arlington Agricultural Research Station sa University of Wisconsin-Madison upang higit pang masubukan ang sensor.