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土壌に印刷したセンサーは、農家の作物収穫量の向上とコスト削減に役立つ可能性がある

土壌科学の博士課程の学生、シュオハオ・カイさんは、多機能感知ステッカーを貼って複数の深さの測定を可能にする感知棒をウィスコンシン大学マディソン校ハンコック農業研究ステーションの土壌に設置し、チームの技術をテストしている。写真提供：クアン・ユー。 ウィスコンシン大学マディソン校のエンジニアは、ウィスコンシン州で一般的な土壌タイプの硝酸塩をリアルタイムで継続的に監視できる低コストのセンサーを開発しました。これらの印刷された電気化学センサーにより、農家はより情報に基づいた栄養管理の決定を下し、経済的利益を得ることができます。 「私たちのセンサーは、農家に土壌の栄養プロファイルと植物に利用可能な硝酸塩の量についての理解を深める機会を与え、本当に必要な肥料の量についてより正確な判断を下す手助けとなるでしょう」と研究を率いたウィスコンシン大学マディソン校の機械工学助教授ジョセフ・アンドリュースは言う。「肥料の購入量が減れば、広大な農地ではコスト削減はかなりの額になるはずです。」 硝酸塩は作物の栽培に不可欠な栄養素ですが、過剰な硝酸塩は土壌から浸出して地下水に流れ込む可能性があります。このタイプの汚染は、汚染された井戸水を飲む人にとって危険であり、環境にも有害です。研究者の新しいセンサーは、硝酸塩の浸出を監視し、その有害な影響を軽減するためのベストプラクティスを導くための農業研究ツールとしても使用できます。 土壌中の硝酸塩を監視する現在の方法は、手間がかかり、費用もかかるうえ、リアルタイムのデータが得られません。そのため、プリンテッド エレクトロニクスの専門家であるアンドリュース氏と彼のチームは、より優れた低コストのソリューションの開発に着手しました。 このプロジェクトでは、研究者らはインクジェット印刷プロセスを使用して、薄膜電気化学センサーの一種である電位差測定センサーを製造しました。電位差測定センサーは、液体溶液中の硝酸塩を正確に測定するためによく使用されます。ただし、これらのセンサーは、粗い土壌粒子によって傷がつき、正確な測定が妨げられる土壌環境での使用には通常適していません。 「私たちが解決しようとしていた主な課題は、これらの電気化学センサーが土壌の過酷な環境でうまく機能し、硝酸イオンを正確に感知できるようにする方法を見つけることでした」とアンドリュース氏は言う。 研究チームの解決策は、ポリフッ化ビニリデン製のセンサーの上に層を置くことだった。アンドリュース氏によると、この素材には 2 つの重要な特徴がある。まず、約 400 ナノメートルの非常に小さな孔があり、硝酸イオンは通過できるが、土壌粒子は通過できない。次に、親水性であるため、水を引き寄せ、スポンジのように水を吸収する。 PVDF 膜によって可能になる開回路電位差測定センシングの動作原理の概略図。クレジット: 先端材料技術 （2024年）。 DOI: 10.1002/admt.202301140 「したがって、硝酸塩を含んだ水は優先的にセンサーに吸収されます。これは非常に重要なことです。なぜなら、土壌はスポンジのような働きもするため、土壌の吸水能力に匹敵しない限り、水分をセンサーに取り込むのは困難だからです」とアンドリュース氏は言う。「ポリフッ化ビニリデン層のこれらの特徴により、硝酸塩を含んだ水を抽出し、センサーの表面に送り込み、硝酸塩を正確に感知することができます。」 研究者らは、2024年3月にジャーナルに掲載された論文でその進歩を詳しく説明した。 先端材料技術。 研究チームは、ウィスコンシン州に関係のある2種類の土壌（同州の北中部に多い砂質土と、ウィスコンシン州南西部に多いシルトローム土）でセンサーをテストし、センサーが正確な結果を出すことを発見した。 研究者たちは現在、硝酸塩センサーを「センシング ステッカー」と呼ぶ多機能センシング システムに組み込んでいる。このシステムでは、3 種類のセンサーが、裏面に粘着剤が付いた柔軟なプラスチックの表面に取り付けられている。このステッカーには、湿度センサーと温度センサーも組み込まれている。 研究者たちは、いくつかの感知ステッカーを棒に貼り付け、異なる高さに配置してから、その棒を土の中に埋める。この設定により、土壌の複数の深さで測定を行うことができる。 「さまざまな深さで硝酸塩、水分、温度を測定することで、硝酸塩の浸出プロセスを定量化し、土壌中を硝酸塩がどのように移動しているかを捉えることができるようになりました。これはこれまでは不可能でした」とアンドリュース氏は言う。 研究者らは2024年の夏に、ウィスコンシン大学マディソン校のハンコック農業研究ステーションとアーリントン農業研究ステーションの土壌に30本の感知棒を設置し、センサーのさらなるテストを行う予定です。 この論文のウィスコンシン大学マディソン校の共著者には、Kuan-Yu Chen、Aatresha Biswas、Shuohao Cai、土壌科学教授のJingyi Huangなどが含まれている。 詳しくは： Kuan‐Yu Chen…