Shuohao Cai, một nghiên cứu sinh tiến sĩ về khoa học đất, đặt một thanh cảm biến có gắn nhãn cảm biến đa chức năng cho phép đo ở các độ sâu khác nhau trong đất tại Trạm nghiên cứu nông nghiệp Hancock thuộc Đại học Wisconsin-Madison.
MADISON — Các kỹ sư tại Đại học Wisconsin-Madison đã phát triển các cảm biến giá rẻ có thể theo dõi liên tục, theo thời gian thực hàm lượng nitrat trong các loại đất phổ biến ở Wisconsin. Các cảm biến điện hóa in này có thể giúp nông dân đưa ra quyết định quản lý dinh dưỡng sáng suốt hơn và đạt được lợi ích kinh tế.
"Các cảm biến của chúng tôi có thể giúp nông dân hiểu rõ hơn về tình trạng dinh dưỡng của đất và lượng nitrat có sẵn cho cây trồng, giúp họ quyết định chính xác hơn lượng phân bón thực sự cần thiết", Joseph Andrews, phó giáo sư tại Đại học Harvard, cho biết. Nghiên cứu do Khoa Kỹ thuật Cơ khí thuộc Đại học Wisconsin-Madison dẫn đầu. "Nếu họ có thể giảm lượng phân bón mua vào, chi phí tiết kiệm được có thể rất đáng kể đối với các trang trại lớn."
Nitrat là một chất dinh dưỡng thiết yếu cho sự phát triển của cây trồng, nhưng lượng nitrat dư thừa có thể bị rửa trôi từ đất và xâm nhập vào nước ngầm. Loại ô nhiễm này gây hại cho người dân uống nước giếng bị ô nhiễm và gây hại cho môi trường. Cảm biến mới của các nhà nghiên cứu cũng có thể được sử dụng như một công cụ nghiên cứu nông nghiệp để theo dõi quá trình rửa trôi nitrat và giúp phát triển các biện pháp tối ưu để giảm thiểu tác hại của nó.
Các phương pháp hiện tại để giám sát nitrat trong đất đòi hỏi nhiều công sức, chi phí cao và không cung cấp dữ liệu theo thời gian thực. Đó là lý do tại sao chuyên gia điện tử in Andrews và nhóm của ông đã quyết tâm tạo ra một giải pháp tốt hơn, ít tốn kém hơn.
Trong dự án này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng quy trình in phun để tạo ra cảm biến điện thế, một loại cảm biến điện hóa màng mỏng. Cảm biến điện thế thường được sử dụng để đo chính xác hàm lượng nitrat trong dung dịch lỏng. Tuy nhiên, các cảm biến này thường không phù hợp để sử dụng trong môi trường đất vì các hạt đất lớn có thể làm xước cảm biến và cản trở việc đo lường chính xác.
Andrews cho biết: “Thách thức chính mà chúng tôi đang cố gắng giải quyết là tìm cách để các cảm biến điện hóa này hoạt động tốt trong điều kiện đất khắc nghiệt và phát hiện chính xác các ion nitrat”.
Giải pháp của nhóm nghiên cứu là phủ một lớp polyvinylidene fluoride lên cảm biến. Theo Andrews, vật liệu này có hai đặc điểm chính. Thứ nhất, nó có các lỗ rỗng rất nhỏ, kích thước khoảng 400 nanomet, cho phép các ion nitrat đi qua đồng thời ngăn chặn các hạt đất. Thứ hai, nó ưa nước, tức là nó hút nước và hấp thụ nước như một miếng bọt biển.
“Vì vậy, bất kỳ loại nước giàu nitrat nào cũng sẽ ưu tiên thấm vào cảm biến của chúng tôi, điều này thực sự quan trọng vì đất cũng giống như một miếng bọt biển và bạn sẽ thua trong cuộc chiến chống lại hơi ẩm thấm vào cảm biến nếu không đạt được khả năng hấp thụ nước tương tự. Tiềm năng của đất,” Andrews nói. “Những đặc tính này của lớp polyvinylidene fluoride cho phép chúng tôi chiết xuất nước giàu nitrat, đưa nó lên bề mặt cảm biến và phát hiện nitrat một cách chính xác.”
Các nhà nghiên cứu đã trình bày chi tiết tiến trình của họ trong một bài báo được công bố vào tháng 3 năm 2024 trên tạp chí Advanced Materials Technology.
Nhóm đã thử nghiệm cảm biến của họ trên hai loại đất khác nhau có liên quan đến Wisconsin—đất cát, phổ biến ở các vùng trung bắc của tiểu bang, và đất thịt pha bùn, phổ biến ở tây nam Wisconsin—và phát hiện ra rằng các cảm biến đưa ra kết quả chính xác.
Các nhà nghiên cứu hiện đang tích hợp cảm biến nitrat của họ vào một hệ thống cảm biến đa chức năng mà họ gọi là "miếng dán cảm biến", trong đó ba loại cảm biến khác nhau được gắn trên một bề mặt nhựa dẻo bằng lớp keo dính. Các miếng dán này cũng chứa cảm biến độ ẩm và nhiệt độ.
Các nhà nghiên cứu sẽ dán nhiều miếng dán cảm biến vào một cột, đặt chúng ở các độ cao khác nhau, rồi chôn cột xuống đất. Thiết lập này cho phép họ đo đạc ở các độ sâu khác nhau của đất.
Andrews cho biết: “Bằng cách đo nồng độ nitrat, độ ẩm và nhiệt độ ở các độ sâu khác nhau, hiện nay chúng ta có thể định lượng quá trình rửa trôi nitrat và hiểu cách nitrat di chuyển qua đất, điều mà trước đây không thể thực hiện được”.
Vào mùa hè năm 2024, các nhà nghiên cứu có kế hoạch đặt 30 thanh cảm biến vào đất tại Trạm nghiên cứu nông nghiệp Hancock và Trạm nghiên cứu nông nghiệp Arlington thuộc Đại học Wisconsin-Madison để thử nghiệm thêm cảm biến.
Thời gian đăng: 09-07-2024