Mengukur suhu dan kadar nitrogen dalam tanah penting untuk sistem pertanian, tetapi mendeteksinya terpisah satu sama lain sulit dilakukan. Huanyu “Larry” Cheng, James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics di Penn State, memimpin para peneliti dalam pengembangan sensor multi-parameter yang dapat secara efektif memisahkan sinyal suhu dan nitrogen sehingga masing-masing dapat diukur akurat. Hasilnya baru-baru ini diterbitkan oleh advanced Material.
“Untuk pemupukan yang efisien, perlu pemantauan terus menerus dan real-time kondisi tanah, khususnya pemanfaatan nitrogen dan suhu tanah,” kata Cheng. “Ini penting untuk mengevaluasi kesehatan tanaman, mengurangi pencemaran lingkungan dan mempromosikan pertanian yang berkelanjutan dan presisi.”
Menggunakan nitrogen sebagai pupuk adalah praktik umum dalam pertanian, dan tujuannya adalah menggunakan jumlah yang ideal untuk hasil panen terbaik. Ketika terlalu sedikit nitrogen digunakan, hasil panen mungkin kurang optimal. Jika terlalu banyak digunakan, pupuk terbuang sia-sia, tanaman dapat terbakar dan gas nitrogen berbahaya dilepaskan ke lingkungan. Deteksi akurat dari kadar nitrogen—khususnya, hilangnya nitrogen dalam bentuk gas—dapat membantu petani mencapai tingkat pemupukan yang optimal pertumbuhan tanaman.
“Pertumbuhan tanaman juga dipengaruhi oleh suhu, yang memengaruhi proses fisik, kimia, dan mikrobiologis di dalam tanah,” kata rekan penulis Li Yang, profesor di Sekolah Kecerdasan Buatan di Universitas Teknologi Hebei China. “Pemantauan berkelanjutan memungkinkan petani mengembangkan strategi dan intervensi ketika suhu terlalu panas atau terlalu dingin untuk tanaman mereka.”
Sayangnya, baik gas maupun suhu—bersama dengan variasi kelembapan relatif—dapat menyebabkan perubahan dalam pembacaan resistansi sensor, sehingga sensor tidak dapat membedakannya. Mekanisme penginderaan yang dapat memperoleh gas nitrogen dan pengukuran suhu secara independen satu sama lain jarang dilaporkan, menurut Cheng.
Tim Cheng merancang dan membuat sensor performa tinggi untuk sepenuhnya memisahkan deteksi kehilangan nitrogen dan suhu tanah. Sensor multi-parameter didasarkan pada busa graphene yang diinduksi laser dengan doping vanadium oksida. Vanadium oksida dapat menyerap dan berinteraksi dengan gas nitrogen, dan doping kompleks logam dalam graphene juga telah ditemukan untuk meningkatkan adsorpsi gas dan sensitivitas deteksi.
Sensor dibungkus oleh membran lunak yang menghalangi perembesan gas nitrogen sehingga sensor hanya merespons variasi suhu. Selain itu, enkapsulasi dapat dilepas dan sensor dioperasikan pada suhu tinggi. Melakukannya menghilangkan pengaruh kelembaban relatif dan suhu di dalam tanah untuk memungkinkan pengukuran gas nitrogen yang akurat. Kombinasi sensor yang dienkapsulasi dan sensor yang tidak dienkapsulasi dapat sepenuhnya memisahkan suhu dan gas nitrogen tanpa gangguan.
Decoupling variasi suhu dan emisi gas nitrogen dapat dimanfaatkan untuk merancang dan menerapkan perangkat multimodal dengan mekanisme penginderaan terpisah untuk pertanian presisi dalam segala kondisi cuaca, menurut Cheng.
“Kemampuan untuk secara bersamaan mendeteksi konsentrasi nitrogen oksida yang sangat rendah dan kecil suhu perubahan membuka jalan bagi pengembangan perangkat elektronik multimodal masa depan dengan mekanisme penginderaan terpisah untuk pertanian presisi, pemantauan kesehatan, dan aplikasi lainnya,” kata Cheng.