MADISON - Các kỹ sư của Đại học Wisconsin-Madison đã phát triển các cảm biến đất giá rẻ.

Shuohao Cai, một nghiên cứu sinh tiến sĩ ngành khoa học đất, đang 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 của Đại học Wisconsin-Madison đã phát triển các cảm biến giá rẻ có khả năng giám sát 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 các quyết định quản lý dinh dưỡng sáng suốt hơn và thu 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 cần thiết,” Joseph Andrews, trợ lý giáo sư tại Đại học Harvard cho biết. Nghiên cứu này được dẫn đầu bởi Trường Kỹ thuật Cơ khí thuộc Đại học Wisconsin-Madison. “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 những người 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 sự rửa trôi nitrat và giúp phát triển các biện pháp tốt nhất để giảm thiểu tác hại của nó.
Các phương pháp hiện tại để theo dõi nitrat trong đất tốn nhiều công sức, đắt đỏ và không cung cấp dữ liệu theo thời gian thực. Đó là lý do tại sao chuyên gia về điện tử in ấn Andrews và nhóm của ông đã bắt tay vào 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 mực 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 nồng độ 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.
“Thử thách 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,” Andrews nói.
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 rất nhỏ, kích thước khoảng 400 nanomet, cho phép các ion nitrat đi qua trong khi ngăn chặn các hạt đất. Thứ hai, nó có tính ưa nước, nghĩa là nó hút nước và hấp thụ nước như một miếng bọt biển.
“Vì vậy, bất kỳ nguồn nước giàu nitrat nào cũng sẽ ưu tiên thấm vào các cảm biến của chúng ta, điều này thực sự quan trọng bởi vì đất cũng giống như một miếng bọt biển và bạn sẽ thất bại trong việc thu được độ ẩm vào cảm biến nếu không có khả năng hấp thụ nước tương tự. Tiềm năng của đất,” Andrews nói. “Những đặc tính này của lớp polyvinylidene fluoride cho phép chúng ta chiết xuất nước giàu nitrat, đưa nó đến 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 nghiên cứu đã thử nghiệm cảm biến của họ trên hai loại đất khác nhau thường thấy ở Wisconsin—đất cát, phổ biến ở các vùng trung bắc của tiểu bang, và đất thịt pha cát, phổ biến ở tây nam Wisconsin—và nhận thấy rằng các cảm biến cho 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 chất kết dính. Những miếng dán này cũng chứa các cảm biến độ ẩm và nhiệt độ.
Các nhà nghiên cứu sẽ gắn một số miếng dán cảm biến vào một trụ, đặt chúng ở các độ cao khác nhau, sau đó chôn trụ xuống đất. Thiết lập này cho phép họ đo đạc ở các độ sâu khác nhau của đất.
“Bằng cách đo nồng độ nitrat, độ ẩm và nhiệt độ ở các độ sâu khác nhau, giờ đây chúng ta có thể định lượng quá trình rửa trôi nitrat và hiểu được cách nitrat di chuyển trong đất, điều mà trước đây không thể thực hiện được”, Andrews cho biết.
Vào mùa hè năm 2024, các nhà nghiên cứu dự định 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 tiếp tục thử nghiệm cảm biến.