Топырақтану ғылымының докторанты Шуохао Цай Висконсин университетінің-Мэдисон Хэнкок ауылшаруашылық ғылыми-зерттеу станциясында топырақтың әртүрлі тереңдігінде өлшеуге мүмкіндік беретін көп функциялы сенсор жапсырмасы бар сенсорлық таяқшаны орналастырады.
МАДИСОН — Висконсин-Мэдисон университетінің инженерлері Висконсиндегі қарапайым топырақ түрлерінде нитраттарды үздіксіз, нақты уақытта бақылауды қамтамасыз ете алатын арзан сенсорларды әзірледі. Бұл басып шығарылған электрохимиялық сенсорлар фермерлерге қоректік заттарды басқару бойынша неғұрлым негізделген шешімдер қабылдауға және экономикалық пайданы жүзеге асыруға көмектеседі.
«Біздің сенсорлар фермерлерге топырақтың қоректік күйін және олардың өсімдіктеріне қол жетімді нитраттың мөлшерін жақсырақ түсінуге мүмкіндік береді, бұл оларға қаншалықты тыңайтқыш қажет екенін дәлірек шешуге көмектеседі», - деді Джозеф Эндрюс, Гарвард университетінің ассистент профессоры. Зерттеуді Висконсин-Мэдисон университетінің машина жасау мектебі жүргізді. «Егер олар сатып алатын тыңайтқыш көлемін азайта алса, ірі шаруашылықтар үшін шығындарды үнемдеу айтарлықтай болуы мүмкін».
Нитраттар дақылдардың өсуіне қажетті қоректік зат болып табылады, бірақ артық нитраттар топырақтан шайылып, жер асты суларына түсуі мүмкін. Ластанудың бұл түрі ластанған құдық суын ішетін адамдарға зиянды және қоршаған ортаға зиян келтіреді. Зерттеушілердің жаңа сенсоры нитраттардың шаймалануын бақылау және оның зиянды әсерін азайтудың озық тәжірибелерін әзірлеуге көмектесу үшін ауылшаруашылық зерттеу құралы ретінде де пайдаланылуы мүмкін.
Топырақ нитраттарын бақылаудың қазіргі әдістері еңбекті көп қажет етеді, қымбат және нақты уақыттағы мәліметтерді қамтамасыз етпейді. Сондықтан баспа электроникасының сарапшысы Эндрюс пен оның командасы жақсырақ, арзанырақ шешім жасауға кірісті.
Бұл жобада зерттеушілер потенциометриялық сенсорды, жұқа қабықшалы электрохимиялық сенсордың түрін жасау үшін сия бүріккіш басып шығару процесін пайдаланды. Потенциометриялық датчиктер көбінесе сұйық ерітінділердегі нитраттарды дәл өлшеу үшін қолданылады. Дегенмен, бұл сенсорлар әдетте топырақ орталарында қолдануға жарамсыз, себебі үлкен топырақ бөлшектері сенсорларды сызып тастауы және дәл өлшеулерге жол бермеуі мүмкін.
«Біз шешуге тырысқан басты мәселе - бұл электрохимиялық сенсорлардың қатал топырақ жағдайында дұрыс жұмыс істеу және нитрат иондарын дәл анықтау жолын табу», - деді Эндрюс.
Команданың шешімі сенсорға поливинилиден фторидінің қабатын қою болды. Эндрюстің айтуынша, бұл материал екі негізгі сипаттамаға ие. Біріншіден, оның мөлшері шамамен 400 нанометр болатын өте кішкентай кеуектері бар, олар топырақ бөлшектерін бөгеу кезінде нитрат иондарының өтуіне мүмкіндік береді. Екіншіден, ол гидрофильді, яғни суды өзіне тартып, губка сияқты сіңіреді.
«Сондықтан кез келген нитратқа бай су біздің сенсорларға сіңіп кетеді, бұл өте маңызды, өйткені топырақ та губка сияқты және сіз бірдей суды сіңіре алмасаңыз, сенсорға ылғал түсуде жеңіліске ұшырайсыз. Топырақтың әлеуеті», - деді Эндрюс. «Поливинилиденді фторид қабатының бұл қасиеттері нитратқа бай суды алуға, оны сенсор бетіне жеткізуге және нитратты дәл анықтауға мүмкіндік береді».
Зерттеушілер өздерінің жетістіктерін 2024 жылдың наурыз айында Advanced Materials Technology журналында жарияланған мақалада егжей-тегжейлі айтып берді.
Команда өздерінің сенсорын Висконсинмен байланысты екі түрлі топырақ түрлерінде - штаттың солтүстік-орталық бөліктерінде таралған құмды топырақтарда және Висконсиннің оңтүстік-батысында кең таралған сазды саздарда сынап көрді және сенсорлардың нақты нәтиже беретінін анықтады.
Зерттеушілер қазір нитрат сенсорын «сенсорлық жапсырма» деп аталатын көп функциялы сенсорлық жүйеге біріктіруде, онда үш түрлі сенсорлар жабысқақ тірек арқылы икемді пластикалық бетке орнатылады. Жапсырмаларда ылғалдылық пен температура сенсорлары да бар.
Зерттеушілер бағанаға бірнеше сенсорлық жапсырмаларды жабыстырып, оларды әртүрлі биіктікке орналастырады, содан кейін бағананы топыраққа көмеді. Бұл орнату оларға топырақтың әртүрлі тереңдіктерінде өлшеулер жүргізуге мүмкіндік берді.
«Әртүрлі тереңдіктегі нитраттарды, ылғалдылықты және температураны өлшеу арқылы біз қазір нитраттарды шаймалау процесін сандық түрде анықтай аламыз және нитраттың бұрын мүмкін болмаған топырақта қалай қозғалатынын түсіне аламыз», - деді Эндрюс.
2024 жылдың жазында зерттеушілер сенсорды одан әрі сынау үшін Хэнкок ауылшаруашылық ғылыми-зерттеу станциясында және Висконсин-Мэдисон университетіндегі Арлингтон ауылшаруашылық зерттеу станциясында топыраққа 30 сенсорлық таяқшаны орналастыруды жоспарлап отыр.
Жіберу уақыты: 09 шілде 2024 ж