Los investigadores desarrollan un microsensor estable de bajo costo a partir de óxido de grafeno para medir la humedad del suelo en el campo.

La agricultura utiliza el 80% del agua utilizable en la India. Sin embargo, casi la mitad se desperdicia debido a sistemas de riego ineficientes, un escenario que debe evitarse ya que el agua está escaseando. Las plantas obtienen nutrición de los nutrientes disueltos en la humedad del suelo, y crecen mejor en un suelo que tiene una humedad óptima. Los agricultores necesitan examinar el suelo a intervalos regulares para verificar el nivel de humedad, una tarea que podría ser muy tediosa en las granjas grandes.

Los investigadores del Instituto Indio de Tecnología de Bombay (IIT Bombay) parecen tener una solución tecnológica a este problema. Dirigido por la profesora Maryam Shojaei Baghini, investigadores de IIT Bombay y la Universidad Gauhati, han diseñado un sensor de humedad del suelo robusto, preciso y asequible que utiliza óxido de grafeno. El sensor detecta pequeños cambios en la humedad del suelo y no se ve afectado por los cambios en la temperatura y el contenido de sal del suelo. También es estable, brindando mediciones consistentes durante mucho tiempo. Cuando se producen en masa, estos sensores pueden costar alrededor de ₹ 2000, que es de 40 a 50 veces más barato que otros sensores disponibles en el mercado. Estas características hacen que el sensor sea lucrativo para su uso, especialmente en granjas grandes.

Cuando cambia el contenido de humedad, también cambian varias propiedades eléctricas del suelo. Por ejemplo, la resistencia eléctrica disminuye cuando el suelo contiene más humedad. Los sensores comerciales disponibles actualmente usan una de estas propiedades para medir la humedad del suelo. Sin embargo, los valores de humedad medidos usando tales sensores varían cuando la temperatura cambia y necesitan compensación. Otro tipo de sensor utiliza una técnica llamada reflectometría en el dominio del tiempo o TDR, que utiliza propiedades del suelo que varían según la frecuencia de la señal eléctrica aplicada. Aunque estables, estos sensores son caros y pueden costar entre $ 80,000 a $ 1,50,000. Las granjas grandes necesitarían muchos de estos sensores para cubrir toda el área y, por lo tanto, dichos sensores no son prácticos. Los microsensores, que usan polímeros conductores, cuestan menos pero tienen baja estabilidad, baja sensibilidad y no son duraderos.

Los investigadores del estudio actual querían explorar el uso de óxido de grafeno para medir la humedad del suelo. El grafeno es una forma de carbono que es una lámina de una sola molécula de espesor y es un nanomaterial muy estudiado para sensores. Los materiales de lámina única ofrecen una mayor área superficial para que las moléculas se unan y, por lo tanto, tienen una alta sensibilidad. El óxido de grafeno, un derivado del grafeno, también es un material de lámina única. Es un aislante y su capacidad varía con el contenido de humedad. Los investigadores utilizaron óxido de grafeno para hacer un microsensor capacitivo.

Los investigadores fabricaron los microsensores de óxido de grafeno utilizando la tecnología MEMS. Los sistemas MEMS o microelectromecánicos son sistemas en miniatura que contienen microsensores, microaccionadores y componentes mecánicos y eléctricos. Tienen un tamaño de unos pocos micrómetros a unos pocos milímetros y se pueden fabricar con precisión a bajo costo.

“El avance en las tecnologías MEMS ha hecho que la fabricación de microsensor sea mejor y más económica. Esto puede ayudar a ampliar la cantidad de sensores para grandes granjas », explica el Dr. Vinay Palaparthy, uno de los autores de este estudio.

El sensor consiste en un sustrato de óxido de silicio, con electrodos con forma de púas en una horquilla en su superficie. Las puntas de los dos electrodos se alternan entre sí. Una capa de óxido de grafeno, depositada entre las puntas, actúa como elemento sensor. Todo el conjunto está cubierto con una malla de tres capas para permitir que solo la humedad entre en contacto con el sensor y mantenga los contaminantes alejados.

Los investigadores primero probaron el sensor midiendo la humedad relativa en una cámara de prueba. Esperaban que la respuesta del sensor a la humedad del suelo sería similar a su respuesta a la humedad relativa, ya que ambos miden el contenido de agua. Mantuvieron el sensor en una cámara y registraron los valores de capacitancia del sensor para diferentes concentraciones de vapor de agua. La capacitancia del sensor cambió en aproximadamente 1200% a medida que la humedad relativa varió de 50% a 94%.

El equipo utilizó el sensor de óxido de grafeno para medir la humedad del suelo en muestras de suelo rojo y negro recogidas del campo. La capacitancia del sensor cambió en un 340% para el suelo rojo y 370% para el suelo de algodón negro cuando la humedad del suelo cambió del 1% al 55%. Este cambio en la capacitancia siguió un patrón similar al cambio en la capacitancia con la humedad relativa. Descubrieron que el sensor era rápido, preciso y estable durante más de cuatro meses de funcionamiento continuo, lo que los hacía viables para su uso durante un ciclo de cultivo. Los investigadores ahora están explorando el uso de estos microsensores para múltiples ciclos de cultivo.

Para averiguar cómo respondieron los sensores al cambio de temperatura, los investigadores mantuvieron constante el contenido de humedad en el suelo y variaron la temperatura de 25 ° C a 65 ° C. Registraron un cambio de solo 6% en la salida del sensor. Para una variación de la concentración de sal de 0M (moles) a 0.35M, la salida del sensor cambió en un 4%.

Una variedad de sensores de humedad del suelo puede hacer que el riego automatizado de grandes granjas sea fácil y eficiente. Los sensores basados ​​en óxido de grafeno, como los desarrollados en este estudio, parecen prometedores ya que son baratos. Con extensas pruebas de campo y un embalaje mejorado, estos sensores serán adecuados para la comercialización, dicen los investigadores.

Via: https://researchmatters.in