マディソン発：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学生である蔡碩豪氏は、ウィスコンシン大学マディソン校ハンコック農業試験場で、土壌の様々な深さでの測定を可能にする多機能センサーシール付きのセンサーロッドを設置している。
マディソン発 ― ウィスコンシン大学マディソン校のエンジニアらは、ウィスコンシン州で一般的な土壌中の硝酸塩濃度をリアルタイムで継続的にモニタリングできる低コストのセンサーを開発した。これらの印刷型電気化学センサーは、農家がより的確な栄養管理の意思決定を行い、経済的な利益を得るのに役立つ。
「私たちのセンサーを使えば、農家は土壌の栄養状態や植物が利用できる硝酸塩の量をより正確に把握できるようになり、実際に必要な肥料の量をより的確に判断できるようになります」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。「購入する肥料の量を減らすことができれば、大規模農場にとっては大きなコスト削減につながるでしょう。」
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溶脱して地下水に流入する可能性があります。このような汚染は、汚染された井戸水を飲む人々の健康を害するだけでなく、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、硝酸塩の溶脱を監視し、その有害な影響を軽減するための最適な方法を開発する農業研究ツールとしても活用できるでしょう。
土壌硝酸塩濃度をモニタリングする既存の方法は、手間がかかり、費用も高額で、リアルタイムのデータも得られない。そのため、プリントエレクトロニクスの専門家であるアンドリュース氏とそのチームは、より優れた、より安価な解決策の開発に着手した。
本プロジェクトにおいて、研究者らはインクジェット印刷プロセスを用いて、薄膜型電気化学センサーの一種である電位差センサーを作製した。電位差センサーは、液体溶液中の硝酸塩濃度を正確に測定するためによく用いられる。しかしながら、これらのセンサーは一般的に土壌環境での使用には適していない。なぜなら、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からである。
「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過酷な土壌条件下でも適切に機能し、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述べた。
研究チームが考案した解決策は、センサー上にポリフッ化ビニリデン層を塗布することだった。アンドリュース氏によると、この材料には2つの重要な特徴がある。まず、約400ナノメートルという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遮断される。次に、親水性、つまりスポンジのように水を引き寄せ吸収する性質を持っている。
「硝酸塩を多く含む水は優先的にセンサーに浸透します。これは非常に重要な点です。なぜなら、土壌もスポンジのようなもので、同じように水分を吸収できなければ、センサーへの水分の浸透という点で不利になるからです。土壌の潜在能力が重要なのです」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、センサー表面に供給して、硝酸塩を正確に検出することができます。」
研究者らは、2024年3月に学術誌「Advanced Materials Technology」に掲載された論文で、その研究成果を詳細に報告した。
研究チームは、ウィスコンシン州に多く見られる2種類の土壌（州中北部に多い砂質土壌と、ウィスコンシン州南西部に多いシルト質ローム土壌）でセンサーのテストを行い、センサーが正確な結果を出すことを確認した。
研究者たちは現在、硝酸塩センサーを「センサーステッカー」と呼ばれる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種類の異なるセンサーが粘着剤を使って柔軟なプラスチック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搭載されている。
研究者たちは、複数の感覚刺激ステッカーを支柱に貼り付け、異なる高さに配置した後、支柱を土に埋める。この方法により、土壌の異なる深さでの測定が可能になる。
「異なる深さで硝酸塩、水分、温度を測定することで、硝酸塩の溶脱プロセスを定量化し、硝酸塩が土壌中を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。
2024年の夏、研究者たちはセンサーのさらなるテストを行うため、ウィスコンシン大学マディソン校のハンコック農業試験場とアーリントン農業試験場の土壌に30本のセンサーロッドを設置する予定だ。