Los sensores electrónicos inteligentes del suelo podrían permitir a los agricultores administrar dosis personalizadas de agua a sus cultivos, maximizando la producción de alimentos y ahorrando agua.
por la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah
Los investigadores de KAUST han desarrollado un sensor de humedad del suelo rápido y sensible, en el corazón del cual se encuentra un marco orgánico de metal (MOF) con una afinidad muy alta por el agua.
El uso eficiente del agua es un desafío clave para los agricultores que deben alimentar a la creciente población mundial ante el cambio climático. «La gestión del riego puede ayudar a mejorar la calidad de los cultivos, disminuir los costos agrícolas y preservar el agua», dice Mohamed Eddaoudi, quien dirigió la investigación junto con Khaled Salama. «Los sensores de humedad del suelo altamente sensibles y selectivos ofrecen el potencial para mejorar el proceso de gestión del agua», agrega Salama.
Los MOF pueden ser muy adecuados para la detección de la humedad del suelo, según han demostrado Eddaoudi y sus colaboradores. Los MOF son materiales sintéticos altamente porosos con una estructura interna similar a una jaula que se puede adaptar para albergar moléculas pequeñas específicas, incluida el agua. «Con su estructura porosa modular y su fácil funcionalización, los MOF son excelentes candidatos para aplicaciones de detección», dice Osama Shekhah, científico investigador del equipo de Eddaoudi. » Las películas delgadas de MOF ya se han incorporado a los dispositivos electrónicos , allanando el camino para su traducción al uso en el mundo real», agrega.
Los MOF del estudio se seleccionaron en función de su estabilidad hidrolítica, capacidad de agua y absorción de agua. «Exploramos varios MOF diferentes, incluido el Cr-soc-MOF-1 altamente poroso desarrollado por nuestro grupo en KAUST que puede capturar el doble de su propio peso en agua», dice Ph.D. estudiante Norah Alsadun.
El equipo recubrió los MOF en un microsensor de electrodos interdigitados de bajo costo que se puede fabricar mediante impresión de inyección de tinta o grabado con láser. Cuando este sensor se insertó en suelo húmedo, el aire en el MOF fue desplazado por agua, alterando su capacitancia eléctrica, un proceso que se puede detectar y medir.
Cada dispositivo MOF se probó en tipos de suelo arcilloso y franco-arenoso, que pueden mostrar diferencias significativas en la textura y la capacidad de retención de agua. «En particular, el sensor de humedad del suelo recubierto con Cr-soc-MOF-1 mostró la mayor sensibilidad, de alrededor del 450% en suelo arcilloso, con un tiempo de respuesta de alrededor de 500 segundos», dice Salama. La respuesta del sensor fue altamente selectiva para el agua incluso cuando varios iones metálicos estaban presentes en el suelo.
«Ahora estamos diseñando y desarrollando un prototipo portátil de sensor de humedad del suelo basado en MOF que se puede usar fácilmente para experimentos de control en mediciones en el campo del mundo real», dice Eddaoudi. «Anticipamos que los sensores de humedad del suelo basados en MOF avanzarán en la tecnología de sensores de humedad del suelo de próxima generación, ofreciendo sistemas de riego automatizados y precisos», agrega Salama.
Más información: Norah Alsadun et al, Institution of Metal-Organic Frameworks as a Highly Sensitive and Selective Layer In-Field Integrated Soil-Moisture Capacitive Sensor, ACS Applied Materials & Interfaces (2023). DOI: 10.1021/acsami.2c20141
