Shuohao Cai, dottorando in scienze del suolo, posiziona un'asta sensore con un adesivo multifunzione che consente di effettuare 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 tipi di terreno più comuni 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 fornire agli agricoltori una migliore comprensione dello stato nutrizionale del loro terreno e della quantità di nitrati disponibili per le loro piante, aiutandoli a decidere con maggiore precisione quanto fertilizzante sia effettivamente necessario", ha affermato Joseph Andrews, professore associato all'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 fertilizzanti acquistati, il risparmio sui costi potrebbe essere significativo per le aziende agricole di grandi dimensioni."
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 le persone che bevono acqua di pozzo contaminata ed è dannoso per l'ambiente. Il nuovo sensore sviluppato dai ricercatori potrebbe essere utilizzato anche come strumento di ricerca agricola per monitorare il dilavamento dei nitrati e contribuire a sviluppare le migliori pratiche per mitigarne gli effetti nocivi.
Gli attuali metodi di monitoraggio dei nitrati nel suolo sono laboriosi, costosi e non forniscono dati in tempo reale. Per questo motivo, Andrews, esperto di elettronica stampata, e il suo team si sono prefissati l'obiettivo 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 nelle soluzioni liquide. Tuttavia, questi sensori non sono generalmente adatti all'uso in ambienti del suolo perché le particelle di terreno di grandi dimensioni possono graffiare i sensori 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 del suolo difficili e per rilevare con precisione gli ioni nitrato", ha affermato Andrews.
La soluzione del team è stata quella di applicare uno strato di fluoruro di polivinilidene sul sensore. Secondo Andrews, questo materiale possiede due caratteristiche fondamentali. In primo luogo, ha pori molto piccoli, di circa 400 nanometri di dimensione, che consentono il passaggio degli ioni nitrato bloccando al contempo 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 preferenzialmente nei nostri sensori, il che è davvero importante perché il terreno è come una spugna e si perderà la battaglia in termini di umidità che raggiunge il sensore se non si riesce a ottenere lo stesso potenziale di assorbimento dell'acqua. Il potenziale del terreno", ha affermato Andrews. "Queste proprietà dello strato di fluoruro di polivinilidene ci consentono di estrarre l'acqua ricca di nitrati, convogliarla sulla superficie del sensore e rilevare con precisione i nitrati."
I ricercatori hanno descritto in dettaglio i loro progressi in un articolo pubblicato nel marzo 2024 sulla rivista Advanced Materials Technology.
Il team ha testato il proprio sensore su due diversi tipi di terreno tipici del Wisconsin: terreni sabbiosi, comuni nelle zone centro-settentrionali dello stato, e terreni limosi, comuni nel sud-ovest del Wisconsin, e ha constatato 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 suolo.
"Misurando i livelli di nitrati, l'umidità e la temperatura a diverse profondità, ora possiamo quantificare il processo di lisciviazione dei nitrati e comprendere come questi si muovono nel terreno, cosa che prima non era possibile", ha affermato Andrews.
Nell'estate del 2024, i ricercatori prevedono di posizionare 30 aste sensore nel terreno presso la stazione di ricerca agricola di Hancock e la stazione di ricerca agricola di Arlington dell'Università del Wisconsin-Madison per testare ulteriormente il sensore.
Data di pubblicazione: 09-07-2024