Shuohao Cai, um estudante de doutorado em ciência do solo, coloca uma haste sensora com um adesivo sensor multifuncional que permite medições em diferentes profundidades no solo na Estação de Pesquisa Agrícola Hancock da Universidade de Wisconsin-Madison.
MADISON — Engenheiros da Universidade de Wisconsin-Madison desenvolveram sensores de baixo custo que podem fornecer monitoramento contínuo e em tempo real de nitrato em tipos comuns de solo de Wisconsin. Esses sensores eletroquímicos impressos podem ajudar os agricultores a tomar decisões mais informadas sobre o manejo de nutrientes e obter benefícios econômicos.
“Nossos sensores podem dar aos agricultores uma melhor compreensão do estado nutricional do solo e da quantidade de nitrato disponível para suas plantas, ajudando-os a decidir com mais precisão a quantidade de fertilizante que realmente precisam”, disse Joseph Andrews, professor assistente da Universidade Harvard. O estudo foi liderado pela Escola de Engenharia Mecânica da Universidade de Wisconsin-Madison. “Se eles conseguirem reduzir a quantidade de fertilizante que compram, a economia de custos poderá ser significativa para fazendas maiores.”
Os nitratos são nutrientes essenciais para o crescimento das culturas, mas o excesso de nitratos pode ser lixiviado do solo e atingir as águas subterrâneas. Esse tipo de contaminação é prejudicial às pessoas que bebem água de poço contaminada e ao meio ambiente. O novo sensor dos pesquisadores também pode ser usado como uma ferramenta de pesquisa agrícola para monitorar a lixiviação de nitrato e ajudar a desenvolver as melhores práticas para mitigar seus efeitos nocivos.
Os métodos atuais de monitoramento de nitrato do solo exigem muita mão de obra, são caros e não fornecem dados em tempo real. É por isso que o especialista em eletrônica impressa Andrews e sua equipe se propuseram a criar uma solução melhor e mais barata.
Neste projeto, os pesquisadores utilizaram um processo de impressão a jato de tinta para criar um sensor potenciométrico, um tipo de sensor eletroquímico de película fina. Sensores potenciométricos são frequentemente utilizados para medir com precisão o nitrato em soluções líquidas. No entanto, esses sensores geralmente não são adequados para uso em ambientes de solo, pois partículas grandes de solo podem arranhá-los e impedir medições precisas.
“O principal desafio que tentávamos resolver era encontrar uma maneira de fazer com que esses sensores eletroquímicos funcionassem corretamente em condições adversas do solo e detectassem íons de nitrato com precisão”, disse Andrews.
A solução da equipe foi aplicar uma camada de fluoreto de polivinilideno no sensor. Segundo Andrews, esse material tem duas características principais. Primeiro, possui poros minúsculos, com cerca de 400 nanômetros de tamanho, que permitem a passagem de íons nitrato, bloqueando as partículas do solo. Segundo, é hidrofílico, ou seja, atrai água e a absorve como uma esponja.
“Portanto, qualquer água rica em nitrato infiltrará preferencialmente em nossos sensores, o que é muito importante porque o solo também é como uma esponja e você perderá a batalha em termos de umidade que entra no sensor se não conseguir a mesma absorção de água. Potencial do solo”, disse Andrews. “Essas propriedades da camada de fluoreto de polivinilideno nos permitem extrair água rica em nitrato, aplicá-la à superfície do sensor e detectar nitrato com precisão.”
Os pesquisadores detalharam seu progresso em um artigo publicado em março de 2024 na revista Advanced Materials Technology.
A equipe testou seu sensor em dois tipos diferentes de solo associados a Wisconsin — solos arenosos, comuns nas regiões centro-norte do estado, e solos argilosos, comuns no sudoeste de Wisconsin — e descobriu que os sensores produziram resultados precisos.
Os pesquisadores estão agora integrando seu sensor de nitrato a um sistema de sensores multifuncional que eles chamam de "adesivo de sensor", no qual três tipos diferentes de sensores são fixados em uma superfície plástica flexível com um revestimento adesivo. Os adesivos também contêm sensores de umidade e temperatura.
Os pesquisadores colaram vários adesivos sensoriais em um poste, posicionaram-nos em diferentes alturas e, em seguida, enterraram o poste no solo. Essa configuração permitiu que eles fizessem medições em diferentes profundidades do solo.
“Ao medir nitrato, umidade e temperatura em diferentes profundidades, agora podemos quantificar o processo de lixiviação de nitrato e entender como o nitrato se move pelo solo, o que não era possível antes”, disse Andrews.
No verão de 2024, os pesquisadores planejam colocar 30 hastes de sensores no solo na Estação de Pesquisa Agrícola de Hancock e na Estação de Pesquisa Agrícola de Arlington, na Universidade de Wisconsin-Madison, para testar ainda mais o sensor.
Horário da postagem: 09/07/2024