మాడిసన్, విస్కాన్సిన్-మాడిసన్ విశ్వవిద్యాలయ ఇంజనీర్లు తక్కువ ఖర్చుతో కూడిన మట్టి సెన్సార్లను అభివృద్ధి చేశారు.

మట్టి శాస్త్రంలో డాక్టరేట్ విద్యార్థి అయిన షువోహావో కై, విస్కాన్సిన్-మాడిసన్ విశ్వవిద్యాలయం హ్యాన్‌కాక్ వ్యవసాయ పరిశోధనా కేంద్రంలో, వివిధ లోతులలో కొలతలు తీసుకోవడానికి వీలు కల్పించే బహుళ ప్రయోజన సెన్సార్ స్టిక్కర్‌తో కూడిన ఒక సెన్సార్ రాడ్‌ను మట్టిలోకి అమర్చుతున్నారు.
మాడిసన్ — విస్కాన్సిన్-మాడిసన్ విశ్వవిద్యాలయ ఇంజనీర్లు, విస్కాన్సిన్‌లోని సాధారణ నేల రకాలలో నైట్రేట్‌ను నిరంతరంగా, నిజ సమయంలో పర్యవేక్షించగల తక్కువ ఖర్చుతో కూడిన సెన్సార్లను అభివృద్ధి చేశారు. ఈ ప్రింటెడ్ ఎలక్ట్రోకెమికల్ సెన్సార్లు, రైతులు మరింత సమాచారంతో కూడిన పోషక నిర్వహణ నిర్ణయాలు తీసుకోవడానికి మరియు ఆర్థిక ప్రయోజనాలను పొందడానికి సహాయపడతాయి.
"మా సెన్సార్లు రైతులకు వారి నేల యొక్క పోషక స్థితిని మరియు వారి మొక్కలకు అందుబాటులో ఉన్న నైట్రేట్ పరిమాణాన్ని బాగా అర్థం చేసుకోవడానికి సహాయపడతాయి. తద్వారా వారికి వాస్తవంగా ఎంత ఎరువు అవసరమో మరింత కచ్చితంగా నిర్ణయించుకోవడానికి వీలవుతుంది," అని హార్వర్డ్ విశ్వవిద్యాలయం అసిస్టెంట్ ప్రొఫెసర్ జోసెఫ్ ఆండ్రూస్ అన్నారు. ఈ అధ్యయనాన్ని విస్కాన్సిన్-మాడిసన్ విశ్వవిద్యాలయంలోని మెకానికల్ ఇంజనీరింగ్ విభాగం నిర్వహించింది. "వారు కొనుగోలు చేసే ఎరువుల పరిమాణాన్ని తగ్గించగలిగితే, పెద్ద వ్యవసాయ క్షేత్రాలకు ఖర్చులో గణనీయమైన ఆదా ఉంటుంది."
పంటల పెరుగుదలకు నైట్రేట్లు ఒక ముఖ్యమైన పోషకం, కానీ అదనపు నైట్రేట్లు నేల నుండి లీచ్ అయి భూగర్భ జలాల్లోకి చేరతాయి. ఈ రకమైన కాలుష్యం, కలుషితమైన బావి నీటిని తాగే ప్రజలకు మరియు పర్యావరణానికి హానికరం. పరిశోధకుల కొత్త సెన్సార్‌ను, నైట్రేట్ లీచింగ్‌ను పర్యవేక్షించడానికి మరియు దాని హానికర ప్రభావాలను తగ్గించడానికి ఉత్తమ పద్ధతులను అభివృద్ధి చేయడంలో సహాయపడటానికి ఒక వ్యవసాయ పరిశోధన సాధనంగా కూడా ఉపయోగించవచ్చు.
నేలలోని నైట్రేట్‌ను పర్యవేక్షించడానికి ప్రస్తుతం ఉన్న పద్ధతులు శ్రమతో కూడుకున్నవి, ఖరీదైనవి మరియు నిజ-సమయ సమాచారాన్ని అందించవు. అందుకే ప్రింటెడ్ ఎలక్ట్రానిక్స్ నిపుణుడు ఆండ్రూస్ మరియు అతని బృందం ఒక మెరుగైన, తక్కువ ఖర్చుతో కూడిన పరిష్కారాన్ని రూపొందించడానికి పూనుకున్నారు.
ఈ ప్రాజెక్ట్‌లో, పరిశోధకులు ఇంక్‌జెట్ ప్రింటింగ్ ప్రక్రియను ఉపయోగించి, ఒక రకమైన పలుచని పొర విద్యుత్ రసాయన సెన్సార్ అయిన పొటెన్షియోమెట్రిక్ సెన్సార్‌ను సృష్టించారు. ద్రవ ద్రావణాలలో నైట్రేట్‌ను ఖచ్చితంగా కొలవడానికి పొటెన్షియోమెట్రిక్ సెన్సార్లను తరచుగా ఉపయోగిస్తారు. అయితే, ఈ సెన్సార్లు సాధారణంగా నేల వాతావరణంలో ఉపయోగించడానికి అనుకూలంగా ఉండవు, ఎందుకంటే పెద్ద మట్టి కణాలు సెన్సార్లను గీరివేసి, ఖచ్చితమైన కొలతలను నిరోధించగలవు.
"కఠినమైన నేల పరిస్థితులలో ఈ ఎలక్ట్రోకెమికల్ సెన్సార్‌లు సరిగ్గా పనిచేసేలా చేయడం మరియు నైట్రేట్ అయాన్‌లను కచ్చితంగా గుర్తించేలా చేయడం అనేదే మేము పరిష్కరించడానికి ప్రయత్నిస్తున్న ప్రధాన సవాలు," అని ఆండ్రూస్ అన్నారు.
సెన్సర్‌పై పాలివినైలిడీన్ ఫ్లోరైడ్ పొరను వేయడమే ఆ బృందం కనుగొన్న పరిష్కారం. ఆండ్రూస్ ప్రకారం, ఈ పదార్థానికి రెండు ముఖ్య లక్షణాలు ఉన్నాయి. మొదటిది, దీనికి సుమారు 400 నానోమీటర్ల పరిమాణంలో చాలా చిన్న రంధ్రాలు ఉంటాయి, ఇవి మట్టి కణాలను అడ్డుకుంటూనే నైట్రేట్ అయాన్‌లను వాటి గుండా వెళ్ళనిస్తాయి. రెండవది, ఇది హైడ్రోఫిలిక్, అంటే ఇది స్పాంజిలా నీటిని ఆకర్షించి పీల్చుకుంటుంది.
"కాబట్టి నైట్రేట్ అధికంగా ఉన్న నీరు ప్రాధాన్యత క్రమంలో మన సెన్సార్లలోకి ఇంకుతుంది, ఇది చాలా ముఖ్యం ఎందుకంటే నేల కూడా ఒక స్పాంజి లాంటిది, మరియు మీరు అదే నీటి శోషణ సామర్థ్యాన్ని పొందలేకపోతే సెన్సార్‌లోకి తేమ చేరడంలో మీరు విఫలమవుతారు. నేల సామర్థ్యం," అని ఆండ్రూస్ అన్నారు. "పాలివినైలిడీన్ ఫ్లోరైడ్ పొర యొక్క ఈ లక్షణాలు నైట్రేట్ అధికంగా ఉన్న నీటిని సంగ్రహించి, దానిని సెన్సార్ ఉపరితలానికి అందించి, నైట్రేట్‌ను కచ్చితంగా గుర్తించడానికి మాకు వీలు కల్పిస్తాయి."
పరిశోధకులు తమ పురోగతిని అడ్వాన్స్‌డ్ మెటీరియల్స్ టెక్నాలజీ జర్నల్‌లో మార్చి 2024లో ప్రచురించిన ఒక పత్రంలో వివరించారు.
ఆ బృందం విస్కాన్సిన్‌కు సంబంధించిన రెండు విభిన్న రకాల నేలలపై తమ సెన్సార్‌ను పరీక్షించింది—రాష్ట్రంలోని ఉత్తర-మధ్య భాగాలలో సాధారణంగా కనిపించే ఇసుక నేలలు, మరియు నైరుతి విస్కాన్సిన్‌లో సాధారణంగా కనిపించే ఒండ్రు మట్టి నేలలు—మరియు ఆ సెన్సార్లు కచ్చితమైన ఫలితాలను ఇచ్చాయని కనుగొంది.
పరిశోధకులు ఇప్పుడు తమ నైట్రేట్ సెన్సార్‌ను "సెన్సార్ స్టిక్కర్" అని పిలిచే ఒక బహుళ ప్రయోజన సెన్సార్ వ్యవస్థలో అనుసంధానిస్తున్నారు. ఈ వ్యవస్థలో, ఒక అంటుకునే ఆధారాన్ని ఉపయోగించి, మూడు వేర్వేరు రకాల సెన్సార్లను ఒక వంగే ప్లాస్టిక్ ఉపరితలంపై అమర్చుతారు. ఈ స్టిక్కర్లలో తేమ మరియు ఉష్ణోగ్రత సెన్సార్లు కూడా ఉంటాయి.
పరిశోధకులు ఒక స్తంభానికి అనేక సెన్సరీ స్టిక్కర్లను అంటించి, వాటిని వేర్వేరు ఎత్తులలో ఉంచి, ఆ తర్వాత ఆ స్తంభాన్ని మట్టిలో పాతిపెడతారు. ఈ ఏర్పాటు వల్ల వారు వివిధ మట్టి లోతులలో కొలతలు తీసుకోగలిగారు.
"వివిధ లోతులలో నైట్రేట్, తేమ మరియు ఉష్ణోగ్రతలను కొలవడం ద్వారా, మనం ఇప్పుడు నైట్రేట్ లీచింగ్ ప్రక్రియను లెక్కించవచ్చు మరియు నైట్రేట్ నేల గుండా ఎలా కదులుతుందో అర్థం చేసుకోవచ్చు, ఇది ఇంతకు ముందు సాధ్యం కాలేదు," అని ఆండ్రూస్ అన్నారు.
2024 వేసవిలో, పరిశోధకులు సెన్సార్‌ను మరింతగా పరీక్షించడానికి విస్కాన్సిన్-మాడిసన్ విశ్వవిద్యాలయంలోని హాన్కాక్ వ్యవసాయ పరిశోధనా కేంద్రం మరియు ఆర్లింగ్టన్ వ్యవసాయ పరిశోధనా కేంద్రంలో మట్టిలో 30 సెన్సార్ రాడ్లను ఉంచాలని యోచిస్తున్నారు.