Shuohao Cai, estudiante de doctorado en ciencias del suelo, coloca una varilla sensora con una pegatina sensora multifunción que permite realizar mediciones a diferentes profundidades en el suelo en la Estación de Investigación Agrícola Hancock de la Universidad de Wisconsin-Madison.
MADISON — Ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison han desarrollado sensores de bajo costo que permiten el monitoreo continuo y en tiempo real del nitrato en suelos comunes de Wisconsin. Estos sensores electroquímicos impresos pueden ayudar a los agricultores a tomar decisiones más informadas sobre la gestión de nutrientes y obtener beneficios económicos.
“Nuestros sensores pueden ayudar a los agricultores a comprender mejor el estado nutricional de su suelo y la cantidad de nitrato disponible para sus plantas, ayudándoles a determinar con mayor precisión la cantidad de fertilizante que realmente necesitan”, afirmó Joseph Andrews, profesor adjunto de la Universidad de Harvard. El estudio fue dirigido por la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Wisconsin-Madison. “Si logran reducir la cantidad de fertilizante que compran, el ahorro en costos podría ser significativo para las explotaciones agrícolas más grandes”.
Los nitratos son un nutriente esencial para el crecimiento de los cultivos, pero su exceso puede filtrarse del suelo y llegar a las aguas subterráneas. Este tipo de contaminación es perjudicial para quienes beben agua de pozo contaminada y para el medio ambiente. El nuevo sensor de los investigadores también podría utilizarse como herramienta de investigación agrícola para monitorear la filtración de nitratos y ayudar a desarrollar las mejores prácticas para mitigar sus efectos nocivos.
Los métodos actuales para monitorear el nitrato en el suelo son laboriosos, costosos y no proporcionan datos en tiempo real. Por eso, Andrews, experto en electrónica impresa, y su equipo se propusieron crear una solución mejor y más económica.
En este proyecto, los investigadores utilizaron un proceso de impresión por inyección de tinta para crear un sensor potenciométrico, un tipo de sensor electroquímico de película delgada. Los sensores potenciométricos se utilizan a menudo para medir con precisión el nitrato en soluciones líquidas. Sin embargo, estos sensores no suelen ser adecuados para su uso en entornos de suelo, ya que las partículas grandes de tierra pueden rayarlos e impedir mediciones precisas.
“El principal desafío que intentábamos resolver era encontrar una manera de lograr que estos sensores electroquímicos funcionaran correctamente en condiciones de suelo adversas y detectaran con precisión los iones de nitrato”, dijo Andrews.
La solución del equipo fue colocar una capa de fluoruro de polivinilideno sobre el sensor. Según Andrews, este material tiene dos características clave. Primero, posee poros diminutos, de unos 400 nanómetros, que permiten el paso de los iones de nitrato y bloquean las partículas de tierra. Segundo, es hidrófilo, es decir, atrae el agua y la absorbe como una esponja.
“Por lo tanto, cualquier agua rica en nitratos se filtrará preferentemente en nuestros sensores, lo cual es fundamental porque el suelo también es como una esponja y se perderá la batalla en cuanto a la entrada de humedad al sensor si no se logra la misma absorción de agua. Potencial del suelo”, dijo Andrews. “Estas propiedades de la capa de fluoruro de polivinilideno nos permiten extraer agua rica en nitratos, llevarla a la superficie del sensor y detectar el nitrato con precisión”.
Los investigadores detallaron su progreso en un artículo publicado en marzo de 2024 en la revista Advanced Materials Technology.
El equipo probó su sensor en dos tipos de suelo diferentes asociados con Wisconsin (suelos arenosos, comunes en las partes centro-nortes del estado, y suelos francos limosos, comunes en el suroeste de Wisconsin) y descubrió que los sensores producían resultados precisos.
Los investigadores ahora están integrando su sensor de nitrato en un sistema de sensores multifuncional denominado "pegatina de sensor", en el que se montan tres tipos diferentes de sensores sobre una superficie de plástico flexible mediante un soporte adhesivo. Las pegatinas también contienen sensores de humedad y temperatura.
Los investigadores colocarán varias pegatinas sensoriales en un poste, las colocarán a diferentes alturas y luego lo enterrarán en la tierra. Esta configuración les permitió tomar mediciones a diferentes profundidades.
“Al medir el nitrato, la humedad y la temperatura a diferentes profundidades, ahora podemos cuantificar el proceso de lixiviación del nitrato y comprender cómo se mueve el nitrato a través del suelo, lo que antes no era posible”, dijo Andrews.
En el verano de 2024, los investigadores planean colocar 30 varillas de sensores en el suelo en la Estación de Investigación Agrícola Hancock y en la Estación de Investigación Agrícola Arlington en la Universidad de Wisconsin-Madison para realizar más pruebas al sensor.
Hora de publicación: 09-jul-2024