Shuohao Cai, doctorant en sciences du sol, place une tige de capteur munie d'un autocollant de capteur multifonction permettant des mesures à différentes profondeurs dans le sol à la station de recherche agricole Hancock de l'Université du Wisconsin-Madison.
MADISON — Des ingénieurs de l'Université du Wisconsin-Madison ont mis au point des capteurs à faible coût capables de surveiller en continu et en temps réel la concentration de nitrates dans les sols les plus courants du Wisconsin. Ces capteurs électrochimiques imprimés peuvent aider les agriculteurs à prendre des décisions plus éclairées en matière de gestion des nutriments et à réaliser des gains économiques.
« Nos capteurs permettent aux agriculteurs de mieux comprendre l'état nutritionnel de leurs sols et la quantité de nitrate disponible pour leurs plantes, ce qui les aide à déterminer plus précisément la quantité d'engrais nécessaire », explique Joseph Andrews, professeur adjoint à l'Université Harvard. L'étude a été menée par l'École de génie mécanique de l'Université du Wisconsin-Madison. « Si les agriculteurs parviennent à réduire leurs achats d'engrais, les économies réalisées pourraient être considérables pour les grandes exploitations. »
Les nitrates sont des nutriments essentiels à la croissance des cultures, mais un excès peut s'infiltrer du sol et contaminer les eaux souterraines. Ce type de contamination est nocif pour les personnes qui consomment de l'eau de puits contaminée et nuit à l'environnement. Le nouveau capteur mis au point par les chercheurs pourrait également servir d'outil de recherche agricole pour surveiller le lessivage des nitrates et contribuer à l'élaboration de bonnes pratiques visant à atténuer ses effets néfastes.
Les méthodes actuelles de surveillance des nitrates dans les sols sont laborieuses, coûteuses et ne fournissent pas de données en temps réel. C'est pourquoi Andrews, expert en électronique imprimée, et son équipe ont entrepris de créer une solution plus performante et moins onéreuse.
Dans le cadre de ce projet, les chercheurs ont utilisé un procédé d'impression à jet d'encre pour créer un capteur potentiométrique, un type de capteur électrochimique à couche mince. Les capteurs potentiométriques sont fréquemment utilisés pour mesurer avec précision la concentration de nitrate dans les solutions liquides. Cependant, ils ne sont généralement pas adaptés à une utilisation dans les sols, car les grosses particules de sol peuvent les rayer et empêcher des mesures précises.
« Le principal défi que nous cherchions à relever était de trouver un moyen de faire fonctionner correctement ces capteurs électrochimiques dans des conditions de sol difficiles et de détecter avec précision les ions nitrate », a déclaré Andrews.
L'équipe a trouvé une solution : déposer une couche de fluorure de polyvinylidène sur le capteur. Selon Andrews, ce matériau possède deux caractéristiques essentielles. Premièrement, il est doté de pores extrêmement fins, d'environ 400 nanomètres, qui laissent passer les ions nitrate tout en bloquant les particules de sol. Deuxièmement, il est hydrophile, c'est-à-dire qu'il attire l'eau et l'absorbe comme une éponge.
« Ainsi, toute eau riche en nitrates s'infiltrera préférentiellement dans nos capteurs, ce qui est crucial car le sol absorbe l'eau comme une éponge ; sans cette capacité d'absorption, le capteur ne pourra pas capter l'humidité. Le potentiel du sol est donc déterminant », a expliqué Andrews. « Les propriétés de la couche de fluorure de polyvinylidène nous permettent d'extraire l'eau riche en nitrates, de l'acheminer jusqu'à la surface du capteur et de détecter précisément la présence de nitrates. »
Les chercheurs ont détaillé leurs progrès dans un article publié en mars 2024 dans la revue Advanced Materials Technology.
L'équipe a testé son capteur sur deux types de sols différents associés au Wisconsin — les sols sableux, courants dans le centre-nord de l'État, et les limons, courants dans le sud-ouest du Wisconsin — et a constaté que les capteurs produisaient des résultats précis.
Les chercheurs intègrent actuellement leur capteur de nitrates dans un système de capteurs multifonctionnel qu'ils appellent « autocollant capteur », composé de trois types de capteurs différents fixés sur une surface en plastique flexible à l'aide d'un adhésif. Ces autocollants contiennent également des capteurs d'humidité et de température.
Les chercheurs fixeront plusieurs étiquettes sensorielles sur un poteau, les placeront à différentes hauteurs, puis enterreront le poteau dans la terre. Ce dispositif leur permettra d'effectuer des mesures à différentes profondeurs du sol.
« En mesurant les nitrates, l’humidité et la température à différentes profondeurs, nous pouvons désormais quantifier le processus de lessivage des nitrates et comprendre comment les nitrates se déplacent dans le sol, ce qui était impossible auparavant », a déclaré Andrews.
Durant l'été 2024, les chercheurs prévoient de placer 30 tiges de capteur dans le sol de la station de recherche agricole de Hancock et de la station de recherche agricole d'Arlington à l'Université du Wisconsin-Madison afin de tester plus avant le capteur.
Date de publication : 9 juillet 2024