МЭДИСОН. Инженеры Университета Висконсина в Мэдисоне разработали недорогие датчики для исследования почвы.

Шуохао Цай, аспирант в области почвоведения, устанавливает сенсорный стержень с многофункциональной сенсорной наклейкой, позволяющей проводить измерения на различной глубине в почве, на сельскохозяйственной исследовательской станции Хэнкок при Университете Висконсин-Мэдисон.
МЭДИСОН — Инженеры Университета Висконсина в Мэдисоне разработали недорогие датчики, которые могут обеспечить непрерывный мониторинг содержания нитратов в распространенных типах почв Висконсина в режиме реального времени. Эти печатные электрохимические датчики могут помочь фермерам принимать более обоснованные решения по управлению питательными веществами и получать экономическую выгоду.
«Наши датчики могут помочь фермерам лучше понять питательный статус их почвы и количество нитратов, доступных для растений, что позволит им более точно определить, сколько удобрений им действительно нужно», — сказал Джозеф Эндрюс, доцент Гарвардского университета. Исследование проводилось под руководством Школы машиностроения Университета Висконсина в Мэдисоне. «Если они смогут сократить количество приобретаемых удобрений, экономия средств может быть значительной для крупных фермерских хозяйств».
Нитраты являются необходимым питательным веществом для роста сельскохозяйственных культур, но их избыток может вымываться из почвы и попадать в грунтовые воды. Этот тип загрязнения вреден для людей, пьющих загрязненную колодезную воду, и наносит вред окружающей среде. Новый датчик, разработанный исследователями, также может использоваться в качестве инструмента сельскохозяйственных исследований для мониторинга вымывания нитратов и разработки передовых методов смягчения его вредного воздействия.
Существующие методы мониторинга содержания нитратов в почве трудоемки, дороги и не обеспечивают получение данных в режиме реального времени. Именно поэтому эксперт по печатной электронике Эндрюс и его команда поставили перед собой задачу создать более совершенное и доступное решение.
В этом проекте исследователи использовали струйную печать для создания потенциометрического датчика — тонкопленочного электрохимического датчика. Потенциометрические датчики часто используются для точного измерения нитратов в жидких растворах. Однако эти датчики, как правило, не подходят для использования в почвенной среде, поскольку крупные частицы почвы могут поцарапать датчики и препятствовать точным измерениям.
«Главная задача, которую мы пытались решить, заключалась в том, чтобы найти способ заставить эти электрохимические датчики правильно работать в суровых почвенных условиях и точно определять ионы нитрата», — сказал Эндрюс.
Решение команды заключалось в нанесении на датчик слоя поливинилиденфторида. По словам Эндрюса, этот материал обладает двумя ключевыми характеристиками. Во-первых, он имеет очень мелкие поры, размером около 400 нанометров, которые позволяют ионам нитрата проходить сквозь него, блокируя при этом частицы почвы. Во-вторых, он гидрофилен, то есть притягивает воду и впитывает ее, как губка.
«Таким образом, любая вода, богатая нитратами, будет преимущественно просачиваться в наши датчики, что очень важно, потому что почва тоже похожа на губку, и вы проиграете битву за влагу, проникающую в датчик, если не сможете добиться такого же поглощения воды. Потенциал почвы», — сказал Эндрюс. «Эти свойства слоя поливинилиденфторида позволяют нам извлекать воду, богатую нитратами, доставлять ее на поверхность датчика и точно определять нитраты».
Исследователи подробно описали свой прогресс в статье, опубликованной в марте 2024 года в журнале Advanced Materials Technology.
Команда протестировала свой датчик на двух различных типах почв, характерных для Висконсина: песчаных почвах, распространенных в северо-центральной части штата, и суглинистых почвах, распространенных на юго-западе Висконсина, — и обнаружила, что датчики дают точные результаты.
В настоящее время исследователи интегрируют свой датчик нитратов в многофункциональную сенсорную систему, которую они называют «сенсорной наклейкой». В ней три различных типа датчиков крепятся к гибкой пластиковой поверхности с помощью клейкой основы. Наклейки также содержат датчики влажности и температуры.
Исследователи прикрепят к столбу несколько сенсорных наклеек, разместят их на разной высоте, а затем закопают столб в землю. Такая установка позволила им проводить измерения на разной глубине почвы.
«Измеряя содержание нитратов, влажность и температуру на разной глубине, мы теперь можем количественно оценить процесс выщелачивания нитратов и понять, как нитраты перемещаются в почве, что раньше было невозможно», — сказал Эндрюс.
Летом 2024 года исследователи планируют разместить 30 сенсорных стержней в почве на сельскохозяйственной исследовательской станции Хэнкок и сельскохозяйственной исследовательской станции Арлингтон при Университете Висконсина в Мэдисоне для дальнейшего тестирования датчика.