મેડિસન યુનિવર્સિટી ઓફ વિસ્કોન્સિન-મેડિસનના ઇજનેરોએ ઓછા ખર્ચે માટી સેન્સર વિકસાવ્યા છે.

માટી વિજ્ઞાનમાં ડોક્ટરલ વિદ્યાર્થી શુઓહાઓ કાઈ, યુનિવર્સિટી ઓફ વિસ્કોન્સિન-મેડિસન હેનકોક કૃષિ સંશોધન સ્ટેશન ખાતે, જમીનમાં વિવિધ ઊંડાણો પર માપન કરવા માટે મલ્ટિફંક્શન સેન્સર સ્ટીકર સાથે સેન્સર રોડ મૂકે છે.
મેડિસન - વિસ્કોન્સિન-મેડિસન યુનિવર્સિટીના ઇજનેરોએ ઓછા ખર્ચે સેન્સર વિકસાવ્યા છે જે સામાન્ય વિસ્કોન્સિન માટીના પ્રકારોમાં નાઈટ્રેટનું સતત, વાસ્તવિક સમયનું નિરીક્ષણ પૂરું પાડી શકે છે. આ પ્રિન્ટેડ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સેન્સર ખેડૂતોને વધુ જાણકાર પોષક તત્વો વ્યવસ્થાપન નિર્ણયો લેવામાં અને આર્થિક લાભો પ્રાપ્ત કરવામાં મદદ કરી શકે છે.
"અમારા સેન્સર ખેડૂતોને તેમની જમીનની પોષક સ્થિતિ અને તેમના છોડને ઉપલબ્ધ નાઈટ્રેટની માત્રા વિશે વધુ સારી રીતે સમજ આપી શકે છે, જે તેમને ખરેખર કેટલા ખાતરની જરૂર છે તે વધુ સચોટ રીતે નક્કી કરવામાં મદદ કરે છે," હાર્વર્ડ યુનિવર્સિટીના સહાયક પ્રોફેસર જોસેફ એન્ડ્રુઝે જણાવ્યું હતું. આ અભ્યાસ યુનિવર્સિટી ઓફ વિસ્કોન્સિન-મેડિસન ખાતે સ્કૂલ ઓફ મિકેનિકલ એન્જિનિયરિંગ દ્વારા કરવામાં આવ્યો હતો. "જો તેઓ ખાતર ખરીદતા હોય તે ઘટાડી શકે, તો મોટા ખેતરો માટે ખર્ચમાં નોંધપાત્ર બચત થઈ શકે છે."
નાઈટ્રેટ્સ પાકના વિકાસ માટે આવશ્યક પોષક તત્વો છે, પરંતુ વધુ પડતા નાઈટ્રેટ્સ જમીનમાંથી બહાર નીકળીને ભૂગર્ભજળમાં પ્રવેશી શકે છે. આ પ્રકારનું દૂષણ દૂષિત કૂવાનું પાણી પીનારા લોકો માટે હાનિકારક છે અને પર્યાવરણ માટે હાનિકારક છે. સંશોધકોના નવા સેન્સરનો ઉપયોગ નાઈટ્રેટ લીચિંગ પર દેખરેખ રાખવા અને તેની હાનિકારક અસરોને ઘટાડવા માટે શ્રેષ્ઠ પદ્ધતિઓ વિકસાવવામાં મદદ કરવા માટે કૃષિ સંશોધન સાધન તરીકે પણ થઈ શકે છે.
માટી નાઈટ્રેટનું નિરીક્ષણ કરવાની વર્તમાન પદ્ધતિઓ શ્રમ-સઘન, ખર્ચાળ છે અને વાસ્તવિક સમયનો ડેટા પ્રદાન કરતી નથી. તેથી જ પ્રિન્ટેડ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ નિષ્ણાત એન્ડ્રુઝ અને તેમની ટીમે વધુ સારો, ઓછો ખર્ચાળ ઉકેલ બનાવવાનું નક્કી કર્યું.
આ પ્રોજેક્ટમાં, સંશોધકોએ ઇંકજેટ પ્રિન્ટીંગ પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરીને પોટેન્શિઓમેટ્રિક સેન્સર બનાવ્યું, જે એક પ્રકારનો પાતળા-ફિલ્મ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સેન્સર છે. પોટેન્શિઓમેટ્રિક સેન્સરનો ઉપયોગ ઘણીવાર પ્રવાહી દ્રાવણમાં નાઈટ્રેટને સચોટ રીતે માપવા માટે થાય છે. જો કે, આ સેન્સર સામાન્ય રીતે માટીના વાતાવરણમાં ઉપયોગ માટે યોગ્ય નથી કારણ કે મોટા માટીના કણો સેન્સરને ખંજવાળ કરી શકે છે અને સચોટ માપન અટકાવી શકે છે.
"અમે જે મુખ્ય પડકારનો ઉકેલ લાવવાનો પ્રયાસ કરી રહ્યા હતા તે એ હતો કે આ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સેન્સર કઠોર માટીની સ્થિતિમાં યોગ્ય રીતે કામ કરે અને નાઈટ્રેટ આયનોને સચોટ રીતે શોધી શકે," એન્ડ્રુઝે કહ્યું.
ટીમનો ઉકેલ સેન્સર પર પોલીવિનાઇલિડીન ફ્લોરાઇડનો એક સ્તર મૂકવાનો હતો. એન્ડ્રુઝના મતે, આ સામગ્રીમાં બે મુખ્ય લાક્ષણિકતાઓ છે. પ્રથમ, તેમાં ખૂબ જ નાના છિદ્રો છે, લગભગ 400 નેનોમીટર કદના, જે માટીના કણોને અવરોધિત કરતી વખતે નાઈટ્રેટ આયનોને પસાર થવા દે છે. બીજું, તે હાઇડ્રોફિલિક છે, એટલે કે, તે પાણીને આકર્ષે છે અને તેને સ્પોન્જની જેમ શોષી લે છે.
"તેથી કોઈપણ નાઈટ્રેટથી ભરપૂર પાણી પ્રાધાન્યપણે આપણા સેન્સરમાં પ્રવેશ કરશે, જે ખરેખર મહત્વપૂર્ણ છે કારણ કે માટી પણ સ્પોન્જ જેવી છે અને જો તમે સમાન પાણી શોષણ ન મેળવી શકો તો સેન્સરમાં ભેજ પ્રવેશવાની દ્રષ્ટિએ તમે યુદ્ધ હારી જશો. માટીની સંભાવના," એન્ડ્રુઝે કહ્યું. "પોલિવિનાઇલિડેન ફ્લોરાઇડ સ્તરના આ ગુણધર્મો આપણને નાઈટ્રેટથી ભરપૂર પાણી કાઢવા, તેને સેન્સર સપાટી પર પહોંચાડવા અને નાઈટ્રેટને સચોટ રીતે શોધવાની મંજૂરી આપે છે."
સંશોધકોએ માર્ચ 2024 માં એડવાન્સ્ડ મટિરિયલ્સ ટેકનોલોજી જર્નલમાં પ્રકાશિત થયેલા એક પેપરમાં તેમની પ્રગતિની વિગતવાર માહિતી આપી હતી.
ટીમે વિસ્કોન્સિન સાથે સંકળાયેલી બે અલગ અલગ માટી પ્રકારની માટી - રાજ્યના ઉત્તર-મધ્ય ભાગોમાં સામાન્ય રેતાળ માટી અને દક્ષિણપશ્ચિમ વિસ્કોન્સિનમાં સામાન્ય કાંપવાળી લોમ - પર તેમના સેન્સરનું પરીક્ષણ કર્યું અને જાણવા મળ્યું કે સેન્સર્સે સચોટ પરિણામો આપ્યા છે.
સંશોધકો હવે તેમના નાઈટ્રેટ સેન્સરને એક મલ્ટિફંક્શનલ સેન્સર સિસ્ટમમાં એકીકૃત કરી રહ્યા છે જેને તેઓ "સેન્સર સ્ટીકર" કહે છે, જેમાં ત્રણ અલગ અલગ પ્રકારના સેન્સર એડહેસિવ બેકિંગનો ઉપયોગ કરીને લવચીક પ્લાસ્ટિક સપાટી પર માઉન્ટ થયેલ છે. સ્ટીકરોમાં ભેજ અને તાપમાન સેન્સર પણ હોય છે.
સંશોધકો એક થાંભલા પર અનેક સંવેદનાત્મક સ્ટીકરો જોડશે, તેમને અલગ અલગ ઊંચાઈએ મૂકશે, અને પછી થાંભલાને માટીમાં દાટી દેશે. આ સેટઅપથી તેમને માટીની વિવિધ ઊંડાઈએ માપ લેવાની મંજૂરી મળશે.
"નાઈટ્રેટ, ભેજ અને તાપમાનને અલગ અલગ ઊંડાણો પર માપીને, આપણે હવે નાઈટ્રેટ લીચિંગ પ્રક્રિયાનું માપન કરી શકીએ છીએ અને સમજી શકીએ છીએ કે નાઈટ્રેટ માટીમાંથી કેવી રીતે ફરે છે, જે પહેલાં શક્ય નહોતું," એન્ડ્રુઝે કહ્યું.
2024 ના ઉનાળામાં, સંશોધકો સેન્સરનું વધુ પરીક્ષણ કરવા માટે હેનકોક કૃષિ સંશોધન સ્ટેશન અને વિસ્કોન્સિન-મેડિસન યુનિવર્સિટી ખાતે આર્લિંગ્ટન કૃષિ સંશોધન સ્ટેશન ખાતે માટીમાં 30 સેન્સર સળિયા મૂકવાની યોજના ધરાવે છે.