Инженерите на Универзитетот МЕДИСОН во Висконсин-Медисон развија евтини сензори за почва

Шуохао Каи, докторант по почвена наука, поставува сензорска прачка со мултифункционална сензорска налепница што овозможува мерења на различни длабочини во почвата во Истражувачката станица за земјоделство „Хенкок“ на Универзитетот во Висконсин-Медисон.
МЕДИСОН — Инженерите од Универзитетот Висконсин-Медисон развија сензори со ниска цена кои можат да обезбедат континуирано следење во реално време на нитратите во вообичаените типови почва во Висконсин. Овие печатени електрохемиски сензори можат да им помогнат на земјоделците да донесат поинформирани одлуки за управување со хранливи материи и да остварат економски придобивки.
„Нашите сензори можат да им дадат на земјоделците подобро разбирање за хранливата состојба на нивната почва и количината на нитрати достапни за нивните растенија, помагајќи им попрецизно да одлучат колку ѓубриво всушност им е потребно“, рече Џозеф Ендрус, доцент на Универзитетот Харвард. Студијата ја водеше Факултетот за машински инженеринг при Универзитетот Висконсин-Медисон. „Доколку можат да ја намалат количината на ѓубриво што го купуваат, заштедите на трошоците би можеле да бидат значителни за поголемите фарми.“
Нитратите се суштинска хранлива материја за раст на културите, но вишокот нитрати може да се исцеди од почвата и да навлезе во подземните води. Овој вид контаминација е штетен за луѓето кои пијат контаминирана вода од бунари и е штетен за животната средина. Новиот сензор на истражувачите би можел да се користи и како алатка за земјоделски истражувања за следење на истекувањето на нитрати и да помогне во развојот на најдобри практики за ублажување на неговите штетни ефекти.
Сегашните методи за следење на нитратите во почвата бараат многу труд, се скапи и не даваат податоци во реално време. Затоа експертот за печатена електроника Ендрус и неговиот тим се заложија да создадат подобро, поевтино решение.
Во овој проект, истражувачите користеле процес на печатење со инк-џет за да создадат потенциометриски сензор, еден вид тенкофилмски електрохемиски сензор. Потенциометриските сензори често се користат за прецизно мерење на нитрати во течни раствори. Сепак, овие сензори генерално не се погодни за употреба во почвени средини бидејќи големите честички од почвата можат да ги изгребат сензорите и да спречат точни мерења.
„Главниот предизвик што се обидувавме да го решиме беше да најдеме начин овие електрохемиски сензори да работат правилно во сурови услови на почвата и прецизно да детектираат нитратни јони“, рече Ендрјус.
Решението на тимот беше да се постави слој од поливинилиден флуорид на сензорот. Според Ендрјус, овој материјал има две клучни карактеристики. Прво, има многу ситни пори, со големина од околу 400 нанометри, кои им овозможуваат на нитратните јони да поминат низ нив, додека ги блокираат честичките од почвата. Второ, тој е хидрофилен, односно привлекува вода и ја апсорбира како сунѓер.
„Значи, секоја вода богата со нитрати преференцијално ќе навлезе во нашите сензори, што е навистина важно бидејќи почвата е исто како сунѓер и ќе ја изгубите битката во однос на влагата што влегува во сензорот ако не можете да ја добиете истата апсорпција на вода. Потенцијал на почвата“, рече Ендрус. „Овие својства на слојот од поливинилиден флуорид ни овозможуваат да извлечеме вода богата со нитрати, да ја доставиме до површината на сензорот и прецизно да детектираме нитрати.“
Истражувачите детално го опишаа својот напредок во труд објавен во март 2024 година во списанието „Напредна технологија на материјали“.
Тимот го тестираше својот сензор на два различни типа почва поврзани со Висконсин - песокливи почви, вообичаени во северно-централните делови на државата, и тињести иловици, вообичаени во југозападен Висконсин - и откри дека сензорите даваат точни резултати.
Истражувачите сега го интегрираат својот сензор за нитрати во мултифункционален сензорски систем што го нарекуваат „сензорска налепница“, во кој три различни типа сензори се монтирани на флексибилна пластична површина со помош на леплива подлога. Налепниците содржат и сензори за влажност и температура.
Истражувачите ќе залепат неколку сензорни налепници на столб, ќе ги постават на различни висини, а потоа ќе го закопаат столбот во почва. Ова поставување им овозможи да земат мерења на различни длабочини на почвата.
„Со мерење на нитрати, влага и температура на различни длабочини, сега можеме да го квантифицираме процесот на истекување на нитрати и да разбереме како нитратите се движат низ почвата, што претходно не беше можно“, рече Ендрјус.
Во летото 2024 година, истражувачите планираат да постават 30 сензорски прачки во почвата во Истражувачката станица за земјоделство Ханкок и Истражувачката станица за земјоделство Арлингтон на Универзитетот во Висконсин-Медисон за понатамошно тестирање на сензорот.