Shuohao Cai, doctorant en sciences du sol, place une tige de capteur avec un autocollant de capteur multifonction qui permet 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 développé des capteurs économiques permettant une surveillance continue et en temps réel des nitrates dans les sols 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 bénéfices 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 dont ils ont réellement besoin », a déclaré 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. « S'ils pouvaient réduire leurs achats d'engrais, les économies réalisées pourraient être significatives pour les grandes exploitations. »
Les nitrates sont un nutriment essentiel à la croissance des cultures, mais leur excès peut s'infiltrer dans le sol et pénétrer dans les eaux souterraines. Ce type de contamination est nocif pour les personnes qui consomment de l'eau de puits contaminée et pour l'environnement. Le nouveau capteur des chercheurs pourrait également servir d'outil de recherche agricole pour surveiller le lessivage des nitrates et contribuer à l'élaboration de bonnes pratiques pour en atténuer les effets nocifs.
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 coûteuse.
Dans 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 souvent utilisés pour mesurer avec précision les nitrates dans les solutions liquides. Cependant, ces capteurs ne sont généralement pas adaptés à une utilisation en milieu terrestre, car les grosses particules de sol peuvent les rayer et compromettre la précision des mesures.
« Le principal défi que nous essayions de résoudre 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.
La solution proposée par l'équipe a consisté à déposer une couche de polyfluorure de vinylidène sur le capteur. Selon Andrews, ce matériau présente deux caractéristiques clés. Premièrement, il possède de minuscules pores, 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 essentiel car le sol est une véritable éponge et, si l'absorption d'eau n'est pas la même, l'humidité risque de pénétrer dans le capteur. » a déclaré Andrews. « Ces propriétés de la couche de polyfluorure de vinylidène nous permettent d'extraire l'eau riche en nitrates, de la diriger vers la surface du capteur et de détecter les nitrates avec précision. »
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 : des sols sableux, courants dans les régions du centre-nord de l'État, et des loams limoneux, courants dans le sud-ouest du Wisconsin, et a constaté que les capteurs produisaient des résultats précis.
Les chercheurs intègrent désormais leur capteur de nitrate à un système de capteurs multifonctionnel appelé « autocollant de capteur », composé de trois types de capteurs différents fixés sur une surface en plastique souple à l'aide d'un support adhésif. Les autocollants contiennent également des capteurs d'humidité et de température.
Les chercheurs fixeront plusieurs autocollants sensoriels sur un poteau, les placeront à différentes hauteurs, puis enfouiront le poteau dans le sol. Ce dispositif leur permettra de prendre des mesures à différentes profondeurs de sol.
« En mesurant le nitrate, l’humidité et la température à différentes profondeurs, nous pouvons désormais quantifier le processus de lessivage du nitrate et comprendre comment le nitrate se déplace dans le sol, ce qui n’était pas possible auparavant », a déclaré Andrews.
À 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 de l'Université du Wisconsin-Madison pour tester davantage le capteur.
Date de publication : 09/07/2024