Shuohao Cai, een promovendus in de bodemkunde, plaatst een sensorstaaf met een multifunctionele sensorsticker waarmee metingen op verschillende diepten in de bodem kunnen worden uitgevoerd op het Hancock Agricultural Research Station van de Universiteit van Wisconsin-Madison.
MADISON — Ingenieurs van de Universiteit van Wisconsin-Madison hebben goedkope sensoren ontwikkeld die continue, realtime monitoring van nitraat in veelvoorkomende bodemsoorten in Wisconsin mogelijk maken. Deze geprinte elektrochemische sensoren kunnen boeren helpen betere beslissingen te nemen over nutriëntenbeheer en economische voordelen te behalen.
"Onze sensoren kunnen boeren een beter inzicht geven in de voedingsstatus van hun bodem en de hoeveelheid nitraat die beschikbaar is voor hun planten. Hierdoor kunnen ze nauwkeuriger bepalen hoeveel kunstmest ze daadwerkelijk nodig hebben", aldus Joseph Andrews, universitair docent aan Harvard University. De studie werd geleid door de faculteit Werktuigbouwkunde van de Universiteit van Wisconsin-Madison. "Als ze de hoeveelheid kunstmest die ze kopen kunnen verminderen, kunnen de kostenbesparingen voor grotere boerderijen aanzienlijk zijn."
Nitraten zijn een essentiële voedingsstof voor de groei van gewassen, maar overtollige nitraten kunnen uit de bodem spoelen en in het grondwater terechtkomen. Deze vorm van verontreiniging is schadelijk voor mensen die verontreinigd putwater drinken en is ook schadelijk voor het milieu. De nieuwe sensor van de onderzoekers zou ook gebruikt kunnen worden als een instrument voor landbouwkundig onderzoek om nitraatuitspoeling te monitoren en te helpen bij het ontwikkelen van beste praktijken om de schadelijke effecten ervan te beperken.
De huidige methoden voor het monitoren van nitraat in de bodem zijn arbeidsintensief, duur en leveren geen realtime gegevens op. Daarom besloot Andrews, expert op het gebied van geprinte elektronica, samen met zijn team een betere en goedkopere oplossing te ontwikkelen.
In dit project gebruikten de onderzoekers een inkjetprintproces om een potentiometrische sensor te maken, een type elektrochemische sensor met dunne film. Potentiometrische sensoren worden vaak gebruikt om nitraat in vloeibare oplossingen nauwkeurig te meten. Deze sensoren zijn echter over het algemeen niet geschikt voor gebruik in bodemomgevingen, omdat grote bodemdeeltjes de sensoren kunnen beschadigen en nauwkeurige metingen kunnen belemmeren.
"De grootste uitdaging waar we voor stonden, was een manier vinden om deze elektrochemische sensoren goed te laten functioneren in zware bodemomstandigheden en nitraationen nauwkeurig te detecteren," aldus Andrews.
De oplossing van het team was om een laag polyvinylideenfluoride op de sensor aan te brengen. Volgens Andrews heeft dit materiaal twee belangrijke eigenschappen. Ten eerste heeft het zeer kleine poriën, van ongeveer 400 nanometer groot, waardoor nitraationen erdoorheen kunnen terwijl ze bodemdeeltjes tegenhouden. Ten tweede is het hydrofiel, dat wil zeggen dat het water aantrekt en absorbeert als een spons.
"Al het water dat rijk is aan nitraten zal bij voorkeur in onze sensoren sijpelen, wat erg belangrijk is, omdat de bodem ook als een spons werkt en je de strijd verliest om vocht in de sensor te krijgen als je niet dezelfde waterabsorptie kunt bereiken. Bodempotentieel," aldus Andrews. "Dankzij deze eigenschappen van de polyvinylideenfluoride-laag kunnen we water dat rijk is aan nitraten onttrekken, naar het sensoroppervlak transporteren en nitraat nauwkeurig detecteren."
De onderzoekers beschreven hun vorderingen in een artikel dat in maart 2024 werd gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials Technology.
Het team testte hun sensor op twee verschillende grondsoorten die in Wisconsin voorkomen: zandgrond, die veel voorkomt in het noord-centrale deel van de staat, en leemgrond, die veel voorkomt in het zuidwesten van Wisconsin. Ze ontdekten dat de sensoren nauwkeurige resultaten opleverden.
De onderzoekers integreren hun nitraatsensor nu in een multifunctioneel sensorsysteem dat ze een "sensorsticker" noemen. Hierbij zijn drie verschillende soorten sensoren met behulp van een zelfklevende achterkant op een flexibel plastic oppervlak bevestigd. De stickers bevatten ook sensoren voor luchtvochtigheid en temperatuur.
Onderzoekers bevestigen verschillende sensorische stickers aan een paal, plaatsen deze op verschillende hoogtes en begraven de paal vervolgens in de grond. Deze opstelling stelde hen in staat om metingen te verrichten op verschillende bodemdiepten.
"Door nitraat, vocht en temperatuur op verschillende diepten te meten, kunnen we nu het nitraatuitspoelingsproces kwantificeren en begrijpen hoe nitraat zich door de bodem verplaatst, wat voorheen niet mogelijk was," aldus Andrews.
In de zomer van 2024 zijn de onderzoekers van plan om 30 sensorstaven in de grond te plaatsen bij het Hancock Agricultural Research Station en het Arlington Agricultural Research Station van de Universiteit van Wisconsin-Madison om de sensor verder te testen.
Geplaatst op: 09-07-2024