Інженери Університету Вісконсина в Медісоні розробили недорогі датчики ґрунту

Шуохао Цай, докторант з ґрунтознавства, розміщує сенсорний стрижень із багатофункціональною наклейкою, яка дозволяє проводити вимірювання на різній глибині в ґрунті, на сільськогосподарській дослідницькій станції Університету Вісконсина-Медісон Хенкок.
МЕДІСОН — Інженери Університету Вісконсина в Медісоні розробили недорогі датчики, які можуть забезпечити безперервний моніторинг нітратів у режимі реального часу у поширених типах ґрунту Вісконсина. Ці друковані електрохімічні датчики можуть допомогти фермерам приймати більш обґрунтовані рішення щодо управління поживними речовинами та отримувати економічні вигоди.
«Наші датчики можуть дати фермерам краще розуміння поживного стану їхнього ґрунту та кількості нітратів, доступних для їхніх рослин, допомагаючи їм точніше визначати, скільки добрив їм насправді потрібно», — сказав Джозеф Ендрюс, доцент Гарвардського університету. Дослідження проводилося під керівництвом Школи машинобудування Університету Вісконсин-Медісон. «Якщо вони зможуть зменшити кількість добрив, які купують, економія коштів може бути значною для великих ферм».
Нітрати є важливою поживною речовиною для росту сільськогосподарських культур, але надлишок нітратів може вимиватися з ґрунту та потрапляти в ґрунтові води. Цей тип забруднення шкідливий для людей, які п'ють забруднену колодязну воду, та завдає шкоди навколишньому середовищу. Новий датчик дослідників також може бути використаний як інструмент сільськогосподарських досліджень для моніторингу вимивання нітратів та допомоги в розробці найкращих практик для пом'якшення його шкідливого впливу.
Сучасні методи моніторингу нітратів у ґрунті є трудомісткими, дорогими та не надають даних у режимі реального часу. Саме тому експерт з друкованої електроніки Ендрюс та його команда вирішили створити краще та менш дороге рішення.
У цьому проєкті дослідники використали процес струменевого друку для створення потенціометричного датчика, типу тонкоплівкового електрохімічного датчика. Потенціометричні датчики часто використовуються для точного вимірювання нітратів у рідких розчинах. Однак ці датчики зазвичай не підходять для використання в ґрунтових середовищах, оскільки великі частинки ґрунту можуть подряпати датчики та перешкодити точним вимірюванням.
«Головним завданням, яке ми намагалися вирішити, було знайти спосіб, щоб ці електрохімічні датчики працювали належним чином у складних ґрунтових умовах та точно виявляли іони нітратів», — сказав Ендрюс.
Рішенням команди було розміщення шару полівініліденфториду на датчику. За словами Ендрюса, цей матеріал має дві ключові характеристики. По-перше, він має дуже крихітні пори, розміром близько 400 нанометрів, які дозволяють іонам нітратів проходити, блокуючи частинки ґрунту. По-друге, він гідрофільний, тобто притягує воду та поглинає її, як губка.
«Тож будь-яка вода, багата на нітрати, переважно просочуватиметься в наші датчики, що дуже важливо, оскільки ґрунт також схожий на губку, і ви програєте битву з точки зору потрапляння вологи в датчик, якщо не зможете отримати таке ж водопоглинання. Потенціал ґрунту», – сказав Ендрюс. «Ці властивості шару полівініліденфториду дозволяють нам витягувати воду, багату на нітрати, доставляти її на поверхню датчика та точно виявляти нітрати».
Дослідники детально описали свій прогрес у статті, опублікованій у березні 2024 року в журналі Advanced Materials Technology.
Команда випробувала свій датчик на двох різних типах ґрунту, пов'язаних з Вісконсином — піщаних ґрунтах, поширених у північно-центральних частинах штату, та мулистих суглинках, поширених у південно-західному Вісконсині, — і виявила, що датчики дають точні результати.
Зараз дослідники інтегрують свій нітратний датчик у багатофункціональну сенсорну систему, яку вони називають «сенсорною наклейкою», в якій три різні типи датчиків кріпляться на гнучкій пластиковій поверхні за допомогою клейкої основи. Наклейки також містять датчики вологості та температури.
Дослідники прикріплять кілька сенсорних наліпок до стовпа, розмістять їх на різній висоті, а потім закопають стовп у ґрунт. Така установка дозволила їм проводити вимірювання на різній глибині ґрунту.
«Вимірюючи нітрати, вологість і температуру на різній глибині, ми тепер можемо кількісно визначити процес вимивання нітратів і зрозуміти, як нітрати рухаються через ґрунт, що раніше було неможливо», – сказав Ендрюс.
Влітку 2024 року дослідники планують розмістити 30 сенсорних стрижнів у ґрунті на сільськогосподарській дослідницькій станції Хенкок та Арлінгтонській сільськогосподарській дослідницькій станції в Університеті Вісконсин-Медісон для подальшого тестування датчика.