Medir la temperatura y los niveles de nitrógeno en el suelo es importante para los sistemas agrícolas, pero es difícil detectarlos por separado.
por Mary Fetzer, Universidad Estatal de Pensilvania
Huanyu «Larry» Cheng, profesor asociado James L. Henderson, Jr. Memorial de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica en Penn State, lideró a los investigadores en el desarrollo de un sensor multiparamétrico que puede desacoplar efectivamente las señales de temperatura y nitrógeno para que cada una pueda medirse precisamente. Los resultados fueron publicados recientemente por Advanced Materials .
«Para una fertilización eficiente, existe la necesidad de un monitoreo continuo y en tiempo real de las condiciones del suelo , específicamente la utilización de nitrógeno y la temperatura del suelo «, dijo Cheng. “Esto es esencial para evaluar la salud de los cultivos, reducir la contaminación ambiental y promover una agricultura sostenible y de precisión”.
El uso de nitrógeno como fertilizante es una práctica común en la agricultura y el objetivo es utilizar la cantidad ideal para obtener el mejor rendimiento de los cultivos. Cuando se usa muy poco nitrógeno, el rendimiento del cultivo puede ser inferior al óptimo. Cuando se usa demasiado, se desperdicia fertilizante, las plantas pueden quemarse y se liberan gases de nitrógeno dañinos al medio ambiente. La detección precisa de los niveles de nitrógeno , específicamente, la pérdida de nitrógeno en forma de gas, puede ayudar a los agricultores a lograr niveles óptimos de fertilización para el crecimiento de las plantas .
«El crecimiento de las plantas también se ve afectado por la temperatura, que influye en los procesos físicos, químicos y microbiológicos del suelo», dijo el coautor Li Yang, profesor de la Escuela de Inteligencia Artificial de la Universidad Tecnológica de Hebei en China. «El monitoreo continuo permite a los agricultores desarrollar estrategias e intervenciones cuando las temperaturas son demasiado calientes o demasiado frías para sus cultivos«.
Desafortunadamente, tanto los gases como la temperatura, junto con las variaciones de humedad relativa, pueden causar cambios en la lectura de resistencia del sensor, por lo que el sensor no puede diferenciarlos. Los mecanismos de detección que pueden obtener mediciones de temperatura y gas nitrógeno independientes entre sí rara vez se informan, según Cheng.
El equipo de Cheng diseñó y fabricó un sensor de alto rendimiento para desacoplar por completo la detección de la pérdida de nitrógeno y la temperatura del suelo. El sensor multiparamétrico se basa en espuma de grafeno inducida por láser y dopada con óxido de vanadio. El óxido de vanadio puede adsorberse e interactuar con los gases de nitrógeno, y también se ha descubierto que los complejos metálicos dopantes en el grafeno mejoran la adsorción de gases y la sensibilidad de detección.
El sensor está encapsulado por una membrana suave que bloquea la permeación de gas nitrógeno para que el sensor responda solo a las variaciones de temperatura. Además, se puede quitar el encapsulado y operar el sensor a una temperatura elevada. Al hacerlo, se elimina la influencia de la humedad relativa y la temperatura en el suelo para permitir una medición precisa del gas nitrógeno. La combinación del sensor encapsulado y el sensor no encapsulado puede desacoplar completamente la temperatura y el gas nitrógeno sin interferencias.
El desacoplamiento de las variaciones de temperatura y las emisiones de gas nitrógeno se puede aprovechar para diseñar y aplicar dispositivos multimodales con mecanismos de detección desacoplados para la agricultura de precisión en todas las condiciones climáticas, según Cheng.
«La capacidad de detectar simultáneamente concentraciones ultrabajas de óxido de nitrógeno y pequeños cambios de temperatura allana el camino para el desarrollo de futuros dispositivos electrónicos multimodales con mecanismos de detección desacoplados para agricultura de precisión, monitoreo de la salud y otras aplicaciones», dijo Cheng.
Más información: Li Yang et al, Sensor multiparamétrico de grafeno inducido por láser dopado con óxido de vanadio para desacoplar la temperatura y la pérdida de nitrógeno del suelo, Materiales avanzados (2023). DOI: 10.1002/adma.202210322
