Shuohao Cai, uno studente di dottorato in scienze del suolo, posiziona un'asta sensore con un adesivo sensore multifunzione che consente misurazioni a diverse profondità nel terreno presso la stazione di ricerca agricola Hancock dell'Università del Wisconsin-Madison.
MADISON — Gli ingegneri dell'Università del Wisconsin-Madison hanno sviluppato sensori a basso costo in grado di fornire un monitoraggio continuo e in tempo reale dei nitrati nei comuni tipi di terreno del Wisconsin. Questi sensori elettrochimici stampati possono aiutare gli agricoltori a prendere decisioni più consapevoli sulla gestione dei nutrienti e a ottenere vantaggi economici.
"I nostri sensori possono offrire agli agricoltori una migliore comprensione dello stato nutrizionale del loro terreno e della quantità di nitrati disponibile per le loro piante, aiutandoli a decidere con maggiore precisione la quantità di fertilizzante di cui hanno effettivamente bisogno", ha affermato Joseph Andrews, professore associato presso l'Università di Harvard. Lo studio è stato condotto dalla Facoltà di Ingegneria Meccanica dell'Università del Wisconsin-Madison. "Se riuscissero a ridurre la quantità di fertilizzante che acquistano, il risparmio sui costi potrebbe essere significativo per le aziende agricole più grandi".
I nitrati sono un nutriente essenziale per la crescita delle colture, ma un eccesso di nitrati può dilavarsi dal terreno e contaminare le falde acquifere. Questo tipo di contaminazione è dannoso per chi beve acqua di pozzo contaminata ed è dannoso per l'ambiente. Il nuovo sensore dei ricercatori potrebbe anche essere utilizzato come strumento di ricerca agricola per monitorare la dilavamento dei nitrati e contribuire a sviluppare le migliori pratiche per mitigarne gli effetti nocivi.
Gli attuali metodi per il monitoraggio dei nitrati nel suolo sono laboriosi, costosi e non forniscono dati in tempo reale. Ecco perché l'esperto di elettronica stampata Andrews e il suo team hanno deciso di creare una soluzione migliore e meno costosa.
In questo progetto, i ricercatori hanno utilizzato un processo di stampa a getto d'inchiostro per creare un sensore potenziometrico, un tipo di sensore elettrochimico a film sottile. I sensori potenziometrici sono spesso utilizzati per misurare con precisione i nitrati in soluzioni liquide. Tuttavia, questi sensori non sono generalmente adatti all'uso in ambienti aridi, poiché le particelle di terreno di grandi dimensioni possono graffiarli e impedire misurazioni accurate.
"La sfida principale che stavamo cercando di risolvere era trovare un modo per far funzionare correttamente questi sensori elettrochimici in condizioni di terreno difficili e rilevare con precisione gli ioni nitrato", ha affermato Andrews.
La soluzione del team è stata quella di applicare uno strato di polivinilidenfluoruro sul sensore. Secondo Andrews, questo materiale presenta due caratteristiche chiave. In primo luogo, presenta pori molto piccoli, di circa 400 nanometri, che consentono il passaggio degli ioni nitrato bloccando le particelle di terreno. In secondo luogo, è idrofilo, ovvero attrae l'acqua e la assorbe come una spugna.
"Quindi, qualsiasi acqua ricca di nitrati penetrerà preferibilmente nei nostri sensori, il che è molto importante perché il terreno è come una spugna e si perde la battaglia in termini di umidità che penetra nel sensore se non si riesce a ottenere lo stesso assorbimento d'acqua. Potenziale del terreno", ha affermato Andrews. "Queste proprietà dello strato di polivinilidenfluoruro ci permettono di estrarre acqua ricca di nitrati, trasportarla sulla superficie del sensore e rilevare accuratamente i nitrati".
I ricercatori hanno descritto dettagliatamente i loro progressi in un articolo pubblicato nel marzo 2024 sulla rivista Advanced Materials Technology.
Il team ha testato il sensore su due diversi tipi di terreno tipici del Wisconsin: terreni sabbiosi, comuni nelle zone centro-settentrionali dello stato, e terreni limosi, comuni nel Wisconsin sud-occidentale, e ha scoperto che i sensori producevano risultati accurati.
I ricercatori stanno ora integrando il loro sensore di nitrati in un sistema di sensori multifunzionale che chiamano "adesivo sensore", in cui tre diversi tipi di sensori sono montati su una superficie di plastica flessibile tramite un supporto adesivo. Gli adesivi contengono anche sensori di umidità e temperatura.
I ricercatori attaccheranno diversi adesivi sensoriali a un palo, li posizioneranno a diverse altezze e poi seppelliranno il palo nel terreno. Questa configurazione ha permesso loro di effettuare misurazioni a diverse profondità del terreno.
"Misurando nitrati, umidità e temperatura a diverse profondità, ora possiamo quantificare il processo di lisciviazione dei nitrati e comprendere come si muovono nel terreno, cosa che prima non era possibile", ha affermato Andrews.
Nell'estate del 2024, i ricercatori intendono posizionare 30 barre sensori nel terreno presso la Hancock Agricultural Research Station e la Arlington Agricultural Research Station presso l'Università del Wisconsin-Madison per testare ulteriormente il sensore.
Data di pubblicazione: 09-07-2024