マディソン ウィスコンシン大学マディソン校のエンジニアが低コストの土壌センサーを開発した。

土壌科学の博士課程の学生である Shuohao Cai さんは、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で、土壌のさまざまな深さでの測定を可能にする多機能センサー ステッカーが付いたセンサー ロッドを設置しています。
マディソン — ウィスコンシン大学マディソン校のエンジニアたちは、ウィスコンシン州で一般的な土壌における硝酸塩濃度を継続的にリアルタイムでモニタリングできる低コストのセンサーを開発しました。この印刷電気化学センサーは、農家がより情報に基づいた栄養管理の意思決定を行い、経済的利益を実現する上で役立ちます。
「私たちのセンサーは、農家が土壌の栄養状態と植物が利用できる硝酸塩の量をより深く理解できるようにし、実際に必要な肥料の量をより正確に判断するのに役立ちます」と、ハーバード大学のジョセフ・アンドリュース助教授は述べています。この研究は、ウィスコンシン大学マディソン校機械工学部が主導しました。「農家が購入する肥料の量を減らすことができれば、大規模農場では大きなコスト削減効果が得られる可能性があります。」
硝酸塩は作物の生育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入する可能性があります。この種の汚染は、汚染された井戸水を飲む人々に有害であり、環境にも悪影響を及ぼします。研究者らが開発した新しいセンサーは、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の開発に役立つ農業研究ツールとしても活用できる可能性があります。
土壌硝酸塩濃度のモニタリングには、現在多くの労力と費用がかかり、リアルタイムのデータが得られません。そこで、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、より安価な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用いて、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作製しました。電位差測定センサーは、溶液中の硝酸塩濃度を正確に測定するためによく使用されます。しかし、これらのセンサーは土壌環境での使用には適していません。大きな土壌粒子がセンサーを傷つけ、正確な測定を妨げる可能性があるためです。
「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を過酷な土壌条件で適切に機能させ、硝酸イオンを正確に検出する方法を見つけることでした」とアンドリュース氏は語った。
研究チームが採用した解決策は、センサー上にポリフッ化ビニリデンの層を形成することでした。アンドリュース氏によると、この材料には2つの重要な特性があります。まず、約400ナノメートルという非常に微細な孔があり、硝酸イオンは通過しますが、土壌粒子は通過しません。次に、親水性、つまりスポンジのように水を引き寄せて吸収します。
「そのため、硝酸塩を多く含む水は優先的にセンサーに浸透します。これは非常に重要です。土壌もスポンジのようなもので、同じ吸水性が得られなければ、センサーへの水分の侵入を防ぐことはできません。土壌ポテンシャルです」とアンドリュース氏は述べた。「ポリフッ化ビニリデン層のこうした特性により、硝酸塩を多く含む水を抽出し、センサー表面に送り込み、硝酸塩を正確に検出することが可能になります。」
研究者らは、2024年3月に学術誌「Advanced Materials Technology」に発表した論文で進捗状況を詳述した。
研究チームは、ウィスコンシン州に関連する2種類の異なる土壌タイプ（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質ローム土）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、この硝酸塩センサーを「センサーステッカー」と呼ぶ多機能センサーシステムに組み込んでいる。このシステムでは、3種類のセンサーが粘着剤付きの裏打ち材を使って柔軟なプラスチックの表面に取り付けられている。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、複数の感覚ステッカーを柱に貼り付け、異なる高さに設置した後、その柱を土に埋めます。この設置により、異なる土壌深度での測定が可能になりました。
「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するかを理解できるようになりました。これは以前は不可能でした」とアンドリュース氏は述べた。
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本のセンサーロッドを設置し、センサーのさらなるテストを行う予定です。