La misurazione della temperatura e dei livelli di azoto nel suolo è importante per i sistemi agricoli, ma è difficile rilevarli separatamente l'uno dall'altro. Huanyu "Larry" Cheng, James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics presso Penn State, ha guidato i ricercatori nello sviluppo di un sensore multiparametrico in grado di disaccoppiare efficacemente i segnali di temperatura e azoto in modo che ciascuno possa essere misurato con precisione. I risultati sono stati recentemente pubblicati da Materiale avanzato.
“Per una fertilizzazione efficiente, è necessario un monitoraggio continuo e in tempo reale di condizioni del suolo, in particolare l'utilizzo dell'azoto e temperatura del suolo”, ha detto Cheng. “Questo è essenziale per valutare la salute delle colture, riducendo inquinamento ambientale e promuovere un'agricoltura sostenibile e di precisione".
L'uso dell'azoto come fertilizzante è una pratica comune in agricoltura e l'obiettivo è utilizzare la quantità ideale per la migliore resa del raccolto. Quando viene utilizzato troppo poco azoto, la resa del raccolto può essere inferiore a quella ottimale. Quando se ne usa troppo, il fertilizzante viene sprecato, le piante possono bruciare e i gas nocivi dell'azoto vengono rilasciati nell'ambiente. Rilevamento accurato di livelli di azoto— in particolare, la perdita di azoto sotto forma di gas — può aiutare gli agricoltori a raggiungere livelli ottimali di fertilizzazione per crescita delle piante.
"La crescita delle piante è influenzata anche dalla temperatura, che influenza i processi fisici, chimici e microbiologici nel suolo", ha affermato il coautore Li Yang, professore presso la School of Artificial Intelligence presso l'Hebei University of Technology in Cina. "Il monitoraggio continuo consente agli agricoltori di sviluppare strategie e interventi quando le temperature sono troppo calde o troppo fredde per le loro colture".
Sfortunatamente, sia i gas che la temperatura, insieme alle variazioni di umidità relativa, possono causare cambiamenti nella lettura della resistenza del sensore, quindi il sensore non può distinguerli. I meccanismi di rilevamento in grado di ottenere misure di azoto e temperatura indipendenti l'uno dall'altro sono raramente segnalati, secondo Cheng.
Il team di Cheng ha progettato e fabbricato un sensore ad alte prestazioni per disaccoppiare completamente il rilevamento della perdita di azoto e della temperatura del suolo. Il sensore multiparametrico si basa su una schiuma di grafene indotta da laser e drogata con ossido di vanadio. L'ossido di vanadio può adsorbire e interagire con i gas di azoto e il doping complessi metallici nel grafene è stato anche scoperto che migliorano l'adsorbimento del gas e la sensibilità di rilevamento.
Il sensore è incapsulato da una membrana morbida che blocca la permeazione del gas azoto in modo che il sensore risponda solo alle variazioni di temperatura. Inoltre, è possibile rimuovere l'incapsulamento e far funzionare il sensore a una temperatura elevata. In questo modo si rimuove l'influenza dell'umidità relativa e della temperatura nel suolo per consentire una misurazione accurata dell'azoto gassoso. La combinazione del sensore incapsulato e del sensore non incapsulato può disaccoppiare completamente la temperatura e l'azoto gassoso senza interferenze.
Il disaccoppiamento variazioni di temperatura e le emissioni di gas di azoto possono essere sfruttate per progettare e applicare dispositivi multimodali con meccanismi di rilevamento disaccoppiati per l'agricoltura di precisione in tutte le condizioni meteorologiche, secondo Cheng.
“La capacità di rilevare contemporaneamente concentrazioni di ossido di azoto bassissime e piccole temperatura cambiamenti aprono la strada allo sviluppo di futuri dispositivi elettronici multimodali con meccanismi di rilevamento disaccoppiati per l'agricoltura di precisione, il monitoraggio della salute e altre applicazioni", ha affermato Cheng.