शेतातील मातीची ओलावा मोजण्यासाठी ग्राफीन ऑक्साईडपासून स्थायी व स्वस्त सूक्ष्म-संवेदक 

भारतात वापरण्यायोग्य पाण्यापैकी ८०% पाणी शेतीसाठी वापरले जाते. पण अकार्यक्षम सिंचन प्रणालींमुळे त्यातील जवळजवळ अर्धे पाणी वाया जाते. पाण्याच्या कमतरतेचा प्रश्न आ वासून उभा असताना, अपव्यय टाळणे अत्यावश्यक आहे. वनस्पतींची वाढ उत्तम होण्यासाठी मातीमध्ये योग्य आर्द्रता असणे गरजेचे असते कारण त्यांना पोषण मिळते ते मातीतील आर्द्रतेत विरघळलेल्या पौष्टिक द्रव्यांमुळे. अपव्यय टाळून योग्य तेवढी आर्द्रता मातीत कायम ठेवण्यासाठी नियमितपणे जमिनीतील आर्द्रतेची तपासणी करणे आवश्यक असते. मोठ्या शेतांसाठी हे काम खूप कष्टाचे असते.

भारतीय तंत्रज्ञान संस्था, मुंबई (आय.आय.टी. मुंबई) येथील प्राध्यापक मरियम शुजाई बाघिनी व आय.आय.टी. मुंबई आणि गौहाती विद्यापीठाच्या संशोधकांनी ग्राफीन ऑक्साईड वापरून मातीतील आर्द्रता मोजणारा, टिकाऊ, अचूक आणि किफायतशीर संवेदक तयार केला आहे. सदर संवेदक मातीच्या आर्द्रतेतील छोटेसे बदलही टिपतो आणि तापमानातील बदल किंवा जमिनीतील क्षारांच्या प्रमाणात झालेले बदल इ गोष्टींचा याच्या मापनाच्या अचूकतेवर खूप कमी परिणाम होतो. हा संवेदक स्थिर असून, दीर्घ काळ अचूक मापन करतो. उत्पादन मोठ्या प्रमाणावर केल्यास हा संवेदक सुमारे ₹२000  मध्ये उपलब्ध होऊ शकतो, म्हणजेच बाजारात सध्या उपलब्ध असलेले इतर संवेदकांपेक्षा ४0 ते ५0 पट स्वस्त. अश्या सर्व वैशिष्ट्यांमुळे हा संवेदक मोठ्या शेतात वापरण्यासाठी योग्य पर्याय आहे.

मातीतील आर्द्रता कमी जास्त होते तेव्हा मातीचे विविध विद्युत गुणधर्म बदलतात, जसे की आर्द्रता जास्त असल्यास विद्युत अवरोध कमी होतो. सध्या बाजारात उपलब्ध असलेले संवेदक मातीतील आर्द्रता मोजण्यासाठी या विविध विद्युत गुणधर्मांपैकी एक वापरतात. अश्या संवेदकानी मोजलेली आर्द्रता पातळी तापमानातील बदलांप्रमाणे कमी अधिक होते आणि त्यांची त्रुटीपूर्ती करावी लागते. इतर काही संवेदक विद्युत संकेतांच्या वारंवारितेनुसार बदलणाऱ्या मातीच्या गुणधर्मांवर अवलंबून असणारी टाईम डोमेन अपवर्तनांकमापन किंवा टीडीआर पद्धती वापरतात. असे संवेदक स्थिर असतात पण महाग असतात (₹८0,000 ते ₹१,५0,000 च्या दरम्यान किंमत). मोठ्या शेतात संपूर्ण क्षेत्रातील आर्द्रता मोजण्यसाठी अनेक संवेदक वापरावे लागतात, त्यामुळे असे संवेदक व्यावहारिक नाहीत. कमी किंमत असलेले वाही बहुवारिक संयुगांनी (कंडक्टिव्ह पॉलिमर) बनलेले सूक्ष्म संवेदक काहीसे अस्थिर, कमी संवेदनशील आणि कमी टिकाऊ असतात.

मातीची आर्द्रता मोजण्यासाठी ग्राफीन ऑक्साईड कसे वापरता येईल त्याचा अभ्यास संशोधकांनी केला. ग्राफीन हे कार्बनचे असे रूप आहे ज्याची रचना एका रेणूच्या जाडीच्या पत्र्यासारखी असते. संवेदक म्हणून वापरण्यात येणाऱ्या या नॅनोपदार्थाचा अभ्यास व्यापकपणे झाला आहे. एक एकसंध स्तर अशी रचना असलेल्या पदार्थांमध्ये रेणु बांधणीसाठी मोठा पृष्ठभाग मिळतो, त्यामुळे त्यांपासून बनलेल्या संवेदकांची संवेदनशीलता जास्त असते. ग्राफीन प्रमाणेच त्यापासून बनलेले ग्राफीन ऑक्साईड देखील एकस्तरीय असते. ग्राफीन ऑक्साईड विद्युतरोधक आहे आणि त्याची धारिता आर्द्रतेच्या प्रमाणात बदलते. ग्राफीन ऑक्साईडपासून संशोधकांनी धारितीय सूक्ष्म संवेदक बनवला. 

ग्राफीन ऑक्साईड वापरून सूक्ष्म संवेदक बनवताना संशोधकांनी एमईएमएस तंत्रज्ञानाचा वापर केला. एमईएमएस किंवा सूक्ष्म विद्युतयांत्रिक प्रणाली या सूक्ष्म प्रणाली असून त्यामध्ये सूक्ष्म संवेदक, सूक्ष्म कार्यवाहक आणि यांत्रिक व विद्युत घटक असतात. त्यांचा आकार काही मायक्रोमीटर ते काही मिलीमीटर असतो आणि त्या कमी किमतीत अचूकतेने बनवता येतात.

"एमईएमएस तंत्रज्ञानातील प्रगतीमुळे सूक्ष्म संवेदक चांगल्या प्रकारे आणि किफायतशीर बनवणे शक्य झाले आहे. यामुळे मोठ्या शेतात संवेदकांची संख्या वाढविण्यात मदत होऊ शकते,'' असे या अभ्यासाचे संशोधक डॉ. विनय पलापारथी स्पष्ट करतात.

सदर अभ्यासातील संवेदकाचा अध:स्तर सिलिकॉन ऑक्साईडचा बनलेला असून त्याच्या पृष्ठभागावर फणीच्या दात्यांच्या आकारात विद्युत अग्र किंवा ध्रुव (इलेक्ट्रोड) असतात. विद्युताग्रांचे दाते एकाआड एक असतात व त्यांच्या मधील  भागांमध्ये ग्राफीन ऑक्साईडचा थर असतो, जो संवेदक म्हणून कार्य करतो. ह्या रचनेवर जाळीचे तीन स्तरीय आच्छादन असते ज्यामुळे संवेदकाचा संपर्क फक्त आर्द्रतेशी  येतो आणि त्याचे दूषित करणाऱ्या पदार्थांपासून रक्षण होते.

संवेदकाची चाचणी करण्याकरिता संशोधकांनी  प्रथम संवेदकाचा उपयोग चाचणी कक्षातील सापेक्ष आर्द्रता मोजण्यासाठी केला. मातीच्या आर्द्रता मोजतानाचा संवेदकाचा प्रतिसाद  सापेक्ष आर्द्रता मोजताना असतो तसाच असेल  अशी संशोधकांची अपेक्षा होती कारण दोन्हीमध्ये पाण्याचे प्रमाण मोजले जाते. संशोधकांनी संवेदक एका चाचणी कक्षात ठेवून बाष्पाच्या बदलणाऱ्या प्रमाणानुसार (संहती) संवेदकाच्या बदलणाऱ्या धारितेची नोंद केली. जेव्हा सापेक्ष आर्द्रता ५0% पासून ९४% बदलली तेव्हा संवेदकाची धारिता सुमारे १२०० % नी बदलली. 

शेतातून गोळा केलेल्या लाल आणि काळ्या मातीच्या नमुन्यांतील आर्द्रता मोजण्यासाठी या पथकाने ग्राफीन ऑक्साईड संवेदकाचा वापर केला. मातीतील आर्द्रता १% ते ५५ % पर्यंत  बदलल्यावर संवेदकाची धारिता लाल मातीसाठी ३४०% आणि कापसासाठीच्या काळ्या मातीसाठी ३७०% या प्रमाणात बदलली. हा धारितेमधील बदल हा सापेक्ष आर्द्रतेनुसार बदलणाऱ्या धारिता बदलासारखाच होता. त्यांना असे आढळले की चार महिन्यापेक्षा अधिक काळ सतत कार्यरत असूनही हा संवेदक वेगवान, अचूक आणि स्थिर होता. यामुळे असे संवेदक एक संपूर्ण पीक (एक पीकचक्र) होईपर्यंत वापरता येतील. अनेक पीक चक्रांसाठी या सूक्ष्म संवेदकांचा वापर करता येईल का याची पडताळणी संशोधक करत आहेत. 

तापमानातील बदलास संवेदक कसा प्रतिसाद देतो हे तपासण्यासाठी संशोधकांनी जमिनीतील आर्द्रता कायम ठेवली  आणि तापमान २५ डिग्री सेल्सियस पासून ६५ डिग्री सेल्सिअस पर्यंत बदलले. त्यांना संवेदकाच्या प्रतिसादात केवळ ६% बदल आढळला. मातीतील क्षाराचे प्रमाण ० मोल्स ते ०.३५ मोल्स यादरम्यान बदलले तेव्हा संवेदाकाचा प्रतिसाद ४% बदलला. 

मातीची आर्द्रता मोजण्यासाठी विन्यास रचनेत अनेक संवेदक वापरल्यास मोठ्या शेतातील स्वयंचलित सिंचन प्रक्रिया सोपी आणि कार्यक्षम होऊ शकेल. या अभ्यासामध्ये विकसित केलेले ग्राफिन ऑक्साईड संवेदक स्वस्त असल्याने ते मोठ्या प्रमाणात वापरणे शक्य होईल असे दिसते आहे. व्यापक क्षेत्रचाचणी आणि सुधारित आवेष्टन केल्यास हे संवेदक व्यापारासाठी सुयोग्य होऊ शकतात असे संशोधक म्हणाले.