מדידת טמפרטורה ורמות חנקן בקרקע חשובה למערכות חקלאיות.
דשנים המכילים חנקן משמשים להגברת ייצור המזון, אך פליטותיהם עלולות לזהם את הסביבה. כדי למקסם את ניצול המשאבים, להעלות את התפוקה החקלאית ולהפחית סיכונים סביבתיים, ניטור רציף ובזמן אמת של תכונות הקרקע, כגון טמפרטורת הקרקע ופליטת דשנים, הוא חיוני. חיישן רב-פרמטרים נחוץ לחקלאות חכמה או מדייקת כדי לעקוב אחר פליטות גזי NOX וטמפרטורת הקרקע לקבלת הדישון הטוב ביותר.
פרופסור חבר למדעי ההנדסה ומכניקה ע"ש ג'יימס ל. הנדרסון ג'וניור באוניברסיטת פן סטייט, הואניו "לארי" צ'נג, הוביל את פיתוחו של חיישן רב-פרמטרים המפריד בהצלחה בין אותות טמפרטורה וחנקן כדי לאפשר מדידה מדויקת של כל אחד מהם.
צ'נג אמר,"לדישון יעיל, יש צורך בניטור רציף ובזמן אמת של תנאי הקרקע, ובפרט ניצול חנקן וטמפרטורת הקרקע. זה חיוני להערכת בריאות הגידולים, להפחתת זיהום הסביבה ולקידום חקלאות בת קיימא ומדויקת."
המחקר שואף להשתמש בכמות המתאימה לקבלת תנובת היבול הטובה ביותר. תפוקת היבול עשויה להיות נמוכה יותר אם משתמשים ביותר חנקן. כאשר דשן מוגזם, הוא מתבזבז, צמחים עלולים להישרף, ואדי חנקן רעילים משתחררים לסביבה. חקלאים יכולים להגיע לרמות הדשן האידיאליות לגידול צמחים בעזרת גילוי מדויק של רמות חנקן.
לי יאנג, פרופסור בבית הספר לבינה מלאכותית באוניברסיטת הביי לטכנולוגיה בסין, אמר,"גם צמיחת הצמחים מושפעת מטמפרטורה, אשר משפיעה על התהליכים הפיזיקליים, הכימיים והמיקרוביולוגיים בקרקע. ניטור מתמשך מאפשר לחקלאים לפתח אסטרטגיות והתערבויות כאשר הטמפרטורות חמות מדי או קרות מדי עבור הגידולים שלהם."
לדברי צ'נג, מנגנוני חישה שיכולים להשיג מדידות של גז חנקן וטמפרטורה באופן עצמאי זה מזה מדווחים לעיתים רחוקות. גם גזים וגם טמפרטורה יכולים לגרום לשינויים בקריאת ההתנגדות של החיישן, מה שמקשה על ההבחנה ביניהם.
הצוות של צ'נג יצר חיישן בעל ביצועים גבוהים שיכול לזהות אובדן חנקן ללא תלות בטמפרטורת הקרקע. החיישן עשוי מקצף גרפן מסומם בתחמוצת ונדיום, המושרה על ידי לייזר, וגילה כי סימום קומפלקסים של מתכת בגרפן משפר את ספיגת הגז ואת רגישות הגילוי.
מכיוון שממברנה רכה מגינה על החיישן ומונעת חדירת גז חנקן, החיישן מגיב אך ורק לשינויים בטמפרטורה. ניתן להשתמש בחיישן גם ללא אנקפסולציה ובטמפרטורה גבוהה יותר.
זה מאפשר מדידה מדויקת של גז החנקן על ידי הוצאת השפעות הלחות היחסית וטמפרטורת הקרקע. ניתן להפריד לחלוטין וללא הפרעות בין הטמפרטורה לגז החנקן באמצעות החיישנים הסגורים והלא-סגורים.
החוקר אמר כי ניתן להשתמש בניתוק שינויי טמפרטורה ופליטות גזי חנקן כדי ליצור וליישם מכשירים רב-מודאליים עם מנגנוני חישה מנותקים לחקלאות מדויקת בכל תנאי מזג האוויר.
צ'נג אמר, "היכולת לזהות בו זמנית ריכוזי תחמוצות חנקן נמוכים במיוחד ושינויי טמפרטורה קטנים סוללת את הדרך לפיתוח מכשירים אלקטרוניים רב-מודאליים עתידיים עם מנגנוני חישה מנותקים לחקלאות מדויקת, ניטור בריאות ויישומים אחרים."
מחקרו של צ'נג מומן על ידי המכונים הלאומיים לבריאות, הקרן הלאומית למדע, פן סטייט והקרן הלאומית הסינית למדעי הטבע.
הפניה לכתב העת:
לי יאנג. צ'ויג'ואו מנג ואחרים. חיישן רב-פרמטרים של גרפן המושרה בלייזר, מסומם בתחמוצת ונדיום, לניתוק אובדן חנקן בקרקע וטמפרטורה. חומר מתקדם. DOI: 10.1002/adma.202210322
זמן פרסום: 10 באפריל 2023