Måling af temperatur og nitrogenniveauer i jorden er vigtigt for landbrugssystemer, men det er svært at opdage dem adskilt fra hinanden. Huanyu "Larry" Cheng, James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics ved Penn State, førte forskere i udviklingen af en multi-parameter sensor, der effektivt kan afkoble temperatur- og nitrogensignaler, så hver enkelt kan måles præcist. Resultaterne blev for nylig offentliggjort af Advanced Materials.
”For en effektiv gødskning er der behov for løbende og realtidsovervågning af jordbundsforhold, specifikt nitrogenudnyttelse og jordtemperatur" sagde Cheng. "Dette er vigtigt for at evaluere afgrødes sundhed, reducere miljøforurening og fremme af bæredygtigt og præcisionslandbrug."
Brug af kvælstof som gødning er almindelig praksis i landbruget, og målet er at bruge den ideelle mængde for den bedste afgrødeproduktion. Når der bruges for lidt kvælstof, kan afgrødens udbytte være mindre end optimalt. Når der bruges for meget, går gødning til spilde, planter kan brænde og skadelige kvælstofgasser frigives til miljøet. Nøjagtig påvisning af nitrogen niveauer– specifikt tabet af nitrogen i form af en gas – kan hjælpe landmænd med at opnå optimale niveauer af gødskning for plantevækst.
"Plantevækst er også påvirket af temperatur, som påvirker de fysiske, kemiske og mikrobiologiske processer i jorden," sagde medforfatter Li Yang, professor ved School of Artificial Intelligence ved Kinas Hebei University of Technology. "Kontinuerlig overvågning gør det muligt for landmænd at udvikle strategier og indgreb, når temperaturerne er for varme eller for kolde til deres afgrøder."
Desværre kan både gasser og temperatur – sammen med relative luftfugtighedsvariationer – forårsage ændringer i modstandsaflæsningen af sensoren, så sensoren kan ikke skelne dem fra hinanden. Følemekanismer, der kan opnå nitrogengas- og temperaturmålinger uafhængigt af hinanden, rapporteres sjældent, ifølge Cheng.
Chengs team designede og fremstillede en højtydende sensor til fuldstændigt at afkoble registreringen af nitrogentab og jordtemperaturen. Multiparametersensoren er baseret på vanadiumoxid-doteret, laserinduceret grafenskum. Vanadiumoxid kan adsorbere og interagere med nitrogengasser og doping metalkomplekser i grafen har det også vist sig at forbedre gasadsorption og detektionsfølsomhed.
Sensoren er indkapslet af en blød membran, der blokerer for nitrogengasgennemtrængning, så sensoren kun reagerer på temperaturvariationer. Derudover kan indkapslingen fjernes og sensoren betjenes ved en forhøjet temperatur. Hvis du gør det, fjernes indflydelsen af relativ fugtighed og temperatur i jorden for at muliggøre nøjagtig måling af nitrogengassen. Kombinationen af den indkapslede sensor og den ikke-indkapslede sensor kan fuldstændig afkoble temperatur og nitrogengas uden interferens.
afkobling temperatur variationer og nitrogengasemissioner kan udnyttes til at designe og anvende multimodale enheder med afkoblede sensormekanismer til præcisionslandbrug under alle vejrforhold, ifølge Cheng.
"Evnen til samtidig at detektere ultralave nitrogenoxidkoncentrationer og små temperatur ændringer baner vejen for udviklingen af fremtidige multimodale elektroniske enheder med afkoblede sensormekanismer til præcisionslandbrug, sundhedsovervågning og andre applikationer,” sagde Cheng.