Một nghiên cứu trong việc phát triển một cảm biến đa thông số có thể tách tín hiệu nhiệt độ và nitơ một cách hiệu quả để có thể đo được từng tín hiệu một cách chính xác.
Đo nhiệt độ và nồng độ nitơ trong đất có ý nghĩa quan trọng đối với các hệ thống nông nghiệp nhưng việc lấy kết quả riêng biệt rất khó thực hiện. Huanyu “Larry” Cheng, James L. Henderson, Phó Giáo sư Khoa học Kỹ thuật và Cơ học tại Đại học bang Penn State, đã tiến hành một nghiên cứu trong việc phát triển một cảm biến đa thông số có thể tách tín hiệu nhiệt độ và nitơ một cách hiệu quả để có thể đo được từng tín hiệu một cách chính xác.
Các kết quả đã được công bố bởi Advanced Materials.
Nhà khoa học Cheng cho biết: “Để bón phân hiệu quả, cần phải theo dõi liên tục và theo thời gian thực các điều kiện của đất, đặc biệt là sử dụng nitơ và nhiệt độ của đất. Đây là điều cần thiết để đánh giá sức khỏe cây trồng, giảm ô nhiễm môi trường và thúc đẩy nền nông nghiệp bền vững.”
Sử dụng nitơ làm phân bón là thói quen phổ biến trong sản xuất nông nghiệp và mục tiêu hướng tới sử dụng một lượng lý tưởng để đạt được sản lượng cây trồng tốt nhất. Khi có quá ít nitơ, năng suất cây trồng có thể thấp hơn mức tối ưu. Ngược lại, khi sử dụng quá nhiều, phân bón lãng phí, cây có thể bị đốt cháy và khí nitơ có hại được thải ra môi trường. Việc phát hiện chính xác nồng độ nitơ — cụ thể là sự thất thoát nitơ ở dạng khí — có thể giúp nông dân đạt được mức bón phân tối ưu cho sự phát triển của cây trồng.
Đồng tác giả nghiên cứu, Giáo sư Li Yang, Trường Trí tuệ Nhân tạo, Đại học Công nghệ Hà Bắc, Trung Quốc cho biết: “Sự phát triển của thực vật cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, vốn ảnh hưởng đến các quá trình vật lý, hóa học và vi sinh trong đất. Việc giám sát liên tục cho phép nông dân đưa ra các chiến lược và biện pháp can thiệp khi nhiệt độ quá nóng hoặc quá lạnh.”
Cả khí và nhiệt độ, cùng với sự thay đổi độ ẩm tương đối, có thể gây ra những thay đổi trong chỉ số điện trở của cảm biến, vì vậy cảm biến không thể phân biệt. Theo Cheng, các cơ chế cảm biến có thể thu được các phép đo khí nitơ và nhiệt độ độc lập với nhau hiếm khi được báo cáo.
Nhóm nhà khoa học đã thiết kế và chế tạo một cảm biến hiệu suất cao để tách rời hoàn toàn việc phát hiện sự thất thoát nitơ và nhiệt độ đất. Cảm biến đa tham số dựa trên bọt graphene cảm ứng bằng laze, pha tạp oxit vanadi. Vanadi oxit có thể hấp thụ và tương tác với khí nitơ, và các phức hợp kim loại pha tạp trong graphene cũng đã được tìm thấy để cải thiện khả năng hấp thụ khí và độ nhạy phát hiện.
Cảm biến được bao bọc bởi một lớp màng mềm ngăn chặn sự thẩm thấu của khí nitơ nên cảm biến chỉ phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Ngoài ra, việc đóng gói có thể được gỡ bỏ và cảm biến hoạt động ở nhiệt độ cao. Làm như vậy sẽ loại bỏ ảnh hưởng của độ ẩm và nhiệt độ tương đối trong đất để cho phép đo chính xác khí nitơ. Sự kết hợp giữa cảm biến được đóng gói và cảm biến không được đóng gói có thể tách rời hoàn toàn nhiệt độ và khí nitơ mà không bị nhiễu.
Theo Cheng, việc tách biệt các biến đổi nhiệt độ và khí thải nitơ có thể được tận dụng để thiết kế và áp dụng các thiết bị đa phương thức với cơ chế cảm biến tách rời cho nông nghiệp chính xác trong mọi điều kiện thời tiết.
Cheng cho biết: “Khả năng phát hiện đồng thời nồng độ oxit nitơ cực thấp và sự thay đổi nhiệt độ nhỏ mở đường cho sự phát triển của các thiết bị điện tử đa phương thức trong tương lai với các cơ chế cảm biến tách rời cho nông nghiệp chính xác, theo dõi sức khỏe và các ứng dụng khác.
Nguồn: Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn <http://Mard.gov.vn>