Инженеры Университета Висконсин-Мэдисон разработали недорогие датчики, которые позволяют в режиме реального времени непрерывно контролировать содержание нитратов в типах почв, распространенных в Висконсине. Эти печатные электрохимические датчики могут позволить фермерам принимать более обоснованные решения по управлению питательными веществами и получать экономические выгоды, сообщает Адам Малечек в релизе университета.
«Наши датчики могли бы дать фермерам лучшее представление о питательном профиле их почвы и о том, сколько нитратов доступно растениям, помогая им принимать более точные решения о том, сколько удобрений им действительно нужно. Если они смогут покупать меньше удобрений, экономия средств на фермах с большой площадью может быть весьма значительной», — говорит Джозеф Эндрюс, доцент машиностроение в Университете Вашингтона в Мэдисоне, который руководил исследованием.
Современные методы мониторинга нитратов в почве трудоемки, дороги и не дают данных в режиме реального времени. Вот почему Эндрюс, эксперт в области печатной электроники, и его команда решили создать лучшее и менее затратное решение.
В этом проекте исследователи использовали процесс струйной печати для изготовления потенциометрических датчиков — типа тонкопленочных электрохимических датчиков. Такие датчики обычно используются для точного измерения нитратов в жидких растворах, но не подходят для использования в почве, где крупные частицы почвы царапают их и мешают получению точных измерений.
«Основная задача, которую мы пытались решить, — найти способ заставить эти электрохимические датчики хорошо работать в суровых условиях почвы и точно определять ионы нитрата», - говорит Эндрюс.
Команда решила поместить на датчик слой из поливинилиденфторида. Этот материал имеет две ключевые особенности. Во-первых, у него очень маленькие поры, размером около 400 нанометров, которые позволяют ионам нитрата проходить сквозь него, блокируя частицы почвы. Во-вторых, он гидрофильный, то есть притягивает воду и действует как губка, впитывая ее.
«Таким образом, любая вода, насыщенная нитратами, впитывается в наш датчик, и это действительно важно, поскольку почва также действует как губка, и вы проиграете битву за то, чтобы влага попала в ваш датчик, если вы не сможете сравниться с потенциалом поглощения воды почвой. Эти особенности слоя поливинилиденфторида позволяют нам извлекать воду, насыщенную нитратами, доставлять ее на поверхность нашего датчика и точно определять нитраты», поясняет Эндрюс.
Исследователи подробно описали свое достижение в статье, опубликованной в марте 2024 года в журнале Advanced Material Technologies.
Схематическое описание принципа работы потенциометрического датчика разомкнутой цепи, обеспечиваемого мембраной из ПВДФ. Источник фото: Advanced Materials Technologies (2024). DOI: 10.1002/admt.202301140
Команда протестировала свои датчики на двух различных типах почв, которые характерны для Висконсина - песчаной, которая распространена в северо-центральной части штата, и илистой суглинистой почве, распространенной на юго-западе Висконсина, - и обнаружила, что датчики дал точные результаты.
Исследователи теперь встраивают свои датчики нитрата в многофункциональную сенсорную систему, которую они называют «сенсорной наклейкой», в которой три разных типа датчиков закреплены на гибкой пластиковой поверхности с клеем на обратной стороне. Эти наклейки также содержат датчики влажности и температуры.
Исследователи прикрепляют к стержню несколько сенсорных наклеек, расположив их на разной высоте, а затем закапывают стержень в почву. Тем самым установка позволяет им проводить измерения на разных глубинах почвы.
«Измеряя уровень нитратов, влажность и температуру на разных глубинах, мы теперь можем количественно оценить процесс выщелачивания нитратов и зафиксировать, как нитраты перемещаются через почву, что раньше было невозможно», - говорит Эндрюс.
Летом 2024 года исследователи планируют провести дополнительные испытания своих датчиков, разместив 30 сенсорных стержней в почве на сельскохозяйственной исследовательской станции Хэнкок при Висконсинском университете в Мадисоне и сельскохозяйственной исследовательской станции Арлингтон.
В число соавторов статьи входят Куан-Ю Чен, Аатреша Бисвас, Шуохао Цай и Цзинъи Хуан, профессор почвоведения.
Источник: University of Wisconsin-Madison. На фото - студент Шуохао Цай помещает сенсорный стержень с многофункциональными сенсорными наклейками, позволяющими проводить измерения на разных глубинах, в почву на сельскохозяйственной исследовательской станции Хэнкок Университета Вашингтона в Мэдисоне, чтобы проверить технологию команды. Автор фото: Куан-Ю.
