Шуохао Цай, докторант в области почвоведения, устанавливает сенсорный стержень с многофункциональной сенсорной наклейкой, которая позволяет проводить измерения на разной глубине в почве на сельскохозяйственной исследовательской станции Висконсинского университета в Мадисоне-Хэнкоке.
МЭДИСОН — Инженеры Висконсинского университета в Мадисоне разработали недорогие датчики, которые обеспечивают непрерывный мониторинг уровня нитратов в режиме реального времени в распространённых типах почв Висконсина. Эти печатные электрохимические датчики помогут фермерам принимать более обоснованные решения по управлению питательными веществами и получать экономическую выгоду.
«Наши датчики позволяют фермерам лучше понимать питательный статус почвы и количество нитратов, доступных растениям, помогая им точнее определять, сколько удобрений им действительно нужно», — сказал Джозеф Эндрюс, доцент Гарвардского университета. Исследование проводилось Школой машиностроения Висконсинского университета в Мадисоне. «Если им удастся сократить количество приобретаемых удобрений, экономия средств для крупных ферм может быть значительной».
Нитраты являются важнейшим питательным веществом для роста сельскохозяйственных культур, но их избыток может вымываться из почвы и попадать в грунтовые воды. Такое загрязнение вредно для людей, пьющих загрязненную воду из скважин, и для окружающей среды. Новый датчик, разработанный исследователями, также может быть использован в качестве инструмента для сельскохозяйственных исследований для мониторинга выщелачивания нитратов и разработки оптимальных методов смягчения его пагубного воздействия.
Современные методы мониторинга содержания нитратов в почве трудоёмки, дороги и не позволяют получать данные в режиме реального времени. Именно поэтому эксперт по печатной электронике Эндрюс и его команда решили создать более эффективное и менее затратное решение.
В этом проекте исследователи использовали струйную печать для создания потенциометрического датчика – разновидности тонкоплёночного электрохимического датчика. Потенциометрические датчики часто используются для точного измерения содержания нитратов в жидких растворах. Однако такие датчики, как правило, не подходят для использования в почве, поскольку крупные частицы почвы могут поцарапать датчик и помешать точным измерениям.
«Главная задача, которую мы пытались решить, заключалась в том, чтобы найти способ заставить эти электрохимические датчики работать должным образом в суровых почвенных условиях и точно обнаруживать ионы нитрата», — сказал Эндрюс.
Команда решила поместить на датчик слой поливинилиденфторида. По словам Эндрюса, этот материал обладает двумя ключевыми характеристиками. Во-первых, он имеет очень маленькие поры, размером около 400 нанометров, которые пропускают ионы нитрата, блокируя частицы почвы. Во-вторых, он гидрофильный, то есть притягивает воду и впитывает её подобно губке.
«Таким образом, любая вода, богатая нитратами, будет преимущественно просачиваться в наши датчики, что очень важно, поскольку почва тоже подобна губке, и вы проиграете битву за попадание влаги в датчик, если не сможете добиться такого же уровня водопоглощения. Потенциал почвы», — сказал Эндрюс. «Эти свойства слоя поливинилиденфторида позволяют нам извлекать воду, богатую нитратами, доставлять её на поверхность датчика и точно определять содержание нитратов».
Исследователи подробно описали свой прогресс в статье, опубликованной в марте 2024 года в журнале Advanced Materials Technology.
Группа протестировала свой датчик на двух различных типах почв, характерных для Висконсина: песчаных почвах, распространенных в северо-центральных частях штата, и илистых суглинках, распространенных на юго-западе Висконсина, — и обнаружила, что датчики дают точные результаты.
Сейчас исследователи интегрируют свой датчик нитратов в многофункциональную сенсорную систему, которую они называют «сенсорной наклейкой». В ней три разных типа датчиков крепятся на гибкой пластиковой поверхности с помощью клейкой основы. Наклейки также содержат датчики влажности и температуры.
Исследователи прикрепят несколько сенсорных наклеек к столбу, разместят их на разной высоте, а затем закопают столб в почву. Такая установка позволит им проводить измерения на разной глубине почвы.
«Измеряя уровень нитратов, влажность и температуру на разных глубинах, мы теперь можем количественно оценить процесс выщелачивания нитратов и понять, как нитраты перемещаются через почву, что раньше было невозможно», — сказал Эндрюс.
Летом 2024 года исследователи планируют разместить 30 сенсорных стержней в почве на Сельскохозяйственной исследовательской станции в Хэнкоке и Арлингтонской сельскохозяйственной исследовательской станции при Висконсинском университете в Мадисоне для дальнейшего тестирования датчика.
Время публикации: 09 июля 2024 г.