Wahandisi wa Chuo Kikuu cha Wisconsin-Madison wametengeneza vitambuzi vya udongo vya bei nafuu

Shuohao Cai, mwanafunzi wa udaktari katika sayansi ya udongo, anaweka fimbo ya kitambuzi yenye kibandiko cha kitambuzi chenye kazi nyingi kinachoruhusu vipimo kwa kina tofauti ndani ya udongo katika Kituo cha Utafiti wa Kilimo cha Chuo Kikuu cha Wisconsin-Madison Hancock.
MADISON — Wahandisi wa Chuo Kikuu cha Wisconsin-Madison wameunda vitambuzi vya bei nafuu ambavyo vinaweza kutoa ufuatiliaji endelevu na wa wakati halisi wa nitrati katika aina za udongo za kawaida za Wisconsin. Vitambuzi hivi vya elektrokemikali vilivyochapishwa vinaweza kuwasaidia wakulima kufanya maamuzi sahihi zaidi ya usimamizi wa virutubisho na kupata faida za kiuchumi.
"Vipimaji vyetu vinaweza kuwapa wakulima uelewa bora wa hali ya lishe ya udongo wao na kiasi cha nitrati kinachopatikana kwa mimea yao, na kuwasaidia kuamua kwa usahihi zaidi ni kiasi gani cha mbolea wanachohitaji," alisema Joseph Andrews, profesa msaidizi katika Chuo Kikuu cha Harvard. Utafiti huo uliongozwa na Shule ya Uhandisi wa Mitambo katika Chuo Kikuu cha Wisconsin-Madison. "Ikiwa wanaweza kupunguza kiasi cha mbolea wanachonunua, akiba ya gharama inaweza kuwa kubwa kwa mashamba makubwa."
Nitrati ni virutubisho muhimu kwa ukuaji wa mazao, lakini nitrati nyingi zinaweza kuvuja kutoka kwenye udongo na kuingia kwenye maji ya ardhini. Aina hii ya uchafuzi ni hatari kwa watu wanaokunywa maji ya kisima yaliyochafuliwa na ni hatari kwa mazingira. Kihisi kipya cha watafiti kinaweza pia kutumika kama zana ya utafiti wa kilimo ili kufuatilia kuvuja kwa nitrati na kusaidia kukuza mbinu bora za kupunguza athari zake mbaya.
Mbinu za sasa za kufuatilia nitrati ya udongo zinahitaji nguvu kazi nyingi, ni ghali, na hazitoi data ya wakati halisi. Ndiyo maana mtaalamu wa vifaa vya elektroniki vilivyochapishwa Andrews na timu yake waliamua kuunda suluhisho bora na la bei nafuu.
Katika mradi huu, watafiti walitumia mchakato wa uchapishaji wa inkjet kuunda kitambuzi cha potentiometriki, aina ya kitambuzi cha elektrokemikali chenye filamu nyembamba. Vitambuzi vya potentiometriki mara nyingi hutumiwa kupima nitrati kwa usahihi katika myeyusho wa kimiminika. Hata hivyo, vitambuzi hivi kwa ujumla havifai kutumika katika mazingira ya udongo kwa sababu chembe kubwa za udongo zinaweza kukwaruza vitambuzi na kuzuia vipimo sahihi.
"Changamoto kuu tuliyojaribu kutatua ilikuwa kutafuta njia ya kupata vitambuzi hivi vya kielektroniki kufanya kazi vizuri katika hali ngumu ya udongo na kugundua ioni za nitrati kwa usahihi," Andrews alisema.
Suluhisho la timu lilikuwa kuweka safu ya polivinylidene floridi kwenye kitambuzi. Kulingana na Andrews, nyenzo hii ina sifa mbili muhimu. Kwanza, ina vinyweleo vidogo sana, vya ukubwa wa nanomita 400 hivi, ambavyo huruhusu ioni za nitrati kupita huku zikizuia chembe za udongo. Pili, ina uwezo wa kufyonza maji, yaani, huvutia maji na kuyanyonya kama sifongo.
"Kwa hivyo maji yoyote yenye nitrati yatapenya vyema kwenye vitambuzi vyetu, jambo ambalo ni muhimu sana kwa sababu udongo pia ni kama sifongo na utapoteza vita katika suala la unyevu kuingia kwenye kitambuzi ikiwa huwezi kupata unyonyaji sawa wa maji. Uwezo wa udongo," Andrews alisema. "Sifa hizi za safu ya floridi ya polyvinylidene huturuhusu kutoa maji yenye nitrati nyingi, kuyapeleka kwenye uso wa kitambuzi na kugundua nitrati kwa usahihi."
Watafiti walielezea maendeleo yao katika karatasi iliyochapishwa mnamo Machi 2024 katika jarida la Advanced Materials Technology.
Timu hiyo ilijaribu kitambuzi chao kwenye aina mbili tofauti za udongo zinazohusiana na Wisconsin—udongo wa mchanga, unaopatikana katika sehemu za kaskazini-kati mwa jimbo, na udongo wa matope, unaopatikana kusini-magharibi mwa Wisconsin—na kugundua kuwa vitambuzi hivyo vilitoa matokeo sahihi.
Watafiti sasa wanaunganisha kihisi chao cha nitrati katika mfumo wa kihisi wenye kazi nyingi wanaouita "stika ya kihisi," ambapo aina tatu tofauti za vihisi huwekwa kwenye uso wa plastiki unaonyumbulika kwa kutumia sehemu ya nyuma ya gundi. Vibandiko pia vina vihisi vya unyevunyevu na halijoto.
Watafiti wataambatanisha vibandiko kadhaa vya hisia kwenye nguzo, waviweke kwenye urefu tofauti, na kisha kuzika nguzo kwenye udongo. Mpangilio huu uliwaruhusu kuchukua vipimo katika kina tofauti cha udongo.
"Kwa kupima nitrati, unyevu na halijoto katika kina tofauti, sasa tunaweza kupima mchakato wa uchujaji wa nitrati na kuelewa jinsi nitrati inavyopita kwenye udongo, jambo ambalo halikuwezekana hapo awali," Andrews alisema.
Katika majira ya joto ya 2024, watafiti wanapanga kuweka fimbo 30 za vitambuzi kwenye udongo katika Kituo cha Utafiti wa Kilimo cha Hancock na Kituo cha Utafiti wa Kilimo cha Arlington katika Chuo Kikuu cha Wisconsin-Madison ili kujaribu zaidi kitambuzi hicho.