Топырақтану бойынша докторант Шуохао Цай Висконсин-Мэдисон университетінің Хэнкок ауылшаруашылық зерттеу станциясында топырақтың әртүрлі тереңдігінде өлшеуге мүмкіндік беретін көп функциялы сенсор жапсырмасы бар сенсорлық штанганы орналастыруда.
МЭДИСОН — Висконсин-Мэдисон университетінің инженерлері Висконсиннің кең таралған топырақ түрлеріндегі нитраттың үздіксіз, нақты уақыт режимінде мониторингін қамтамасыз ете алатын арзан сенсорларды жасап шығарды. Бұл басылған электрохимиялық сенсорлар фермерлерге қоректік заттарды басқару туралы хабардар шешімдер қабылдауға және экономикалық пайдаға қол жеткізуге көмектеседі.
«Біздің сенсорларымыз фермерлерге топырақтың қоректік жағдайын және өсімдіктеріне қолжетімді нитрат мөлшерін жақсырақ түсінуге мүмкіндік береді, бұл оларға шын мәнінде қанша тыңайтқыш қажет екенін дәлірек анықтауға көмектеседі», - деді Гарвард университетінің доценті Джозеф Эндрюс. Зерттеуді Висконсин-Мэдисон университетінің Машина жасау мектебі жүргізді. «Егер олар сатып алатын тыңайтқыш мөлшерін азайта алса, шығындарды үнемдеу ірі шаруашылықтар үшін айтарлықтай болуы мүмкін».
Нитраттар дақылдардың өсуі үшін маңызды қоректік зат болып табылады, бірақ артық нитраттар топырақтан сіңіп, жер асты суларына енуі мүмкін. Ластанудың бұл түрі ластанған құдық суын ішетін адамдар үшін зиянды және қоршаған ортаға зиянды. Зерттеушілердің жаңа сенсоры нитраттардың сіңуін бақылау және оның зиянды әсерін азайтудың ең жақсы тәжірибелерін әзірлеуге көмектесетін ауылшаруашылық зерттеу құралы ретінде де пайдаланылуы мүмкін.
Топырақ нитратын бақылаудың қазіргі әдістері көп еңбекті қажет етеді, қымбат және нақты уақыт режимінде деректерді бермейді. Сондықтан баспа электроникасы бойынша сарапшы Эндрюс және оның командасы жақсырақ, арзанырақ шешім жасауға кірісті.
Бұл жобада зерттеушілер жұқа қабықшалы электрохимиялық сенсордың бір түрі болып табылатын потенциометриялық сенсорды жасау үшін сия бүріккіш басып шығару процесін пайдаланды. Потенциометриялық сенсорлар көбінесе сұйық ерітінділердегі нитрат мөлшерін дәл өлшеу үшін қолданылады. Дегенмен, бұл сенсорлар әдетте топырақ ортасында қолдануға жарамсыз, себебі үлкен топырақ бөлшектері сенсорларды сызып, дәл өлшеуге кедергі келтіруі мүмкін.
«Біз шешуге тырысқан негізгі қиындық - бұл электрохимиялық сенсорлардың қатал топырақ жағдайларында дұрыс жұмыс істеуіне және нитрат иондарын дәл анықтауға мүмкіндік беретін жолды табу болды», - деді Эндрюс.
Топтың шешімі сенсорға поливинилиден фторидінің қабатын орналастыру болды. Эндрюстің айтуынша, бұл материалдың екі негізгі қасиеті бар. Біріншіден, оның өлшемі шамамен 400 нанометр болатын өте кішкентай тесіктері бар, олар топырақ бөлшектерін бөгей отырып, нитрат иондарының өтуіне мүмкіндік береді. Екіншіден, ол гидрофильді, яғни суды тартып, губка сияқты сіңіреді.
«Сондықтан кез келген нитратқа бай су біздің сенсорларымызға сіңіп кетеді, бұл өте маңызды, себебі топырақ та губка сияқты, егер сіз суды бірдей сіңіре алмасаңыз, сенсорға ылғалдың енуіне қатысты күресте жеңіліске ұшырайсыз. Топырақ әлеуеті», - деді Эндрюс. «Поливинилиден фторид қабатының бұл қасиеттері бізге нитратқа бай суды алуға, оны сенсор бетіне жеткізуге және нитраттың дәл анықталуына мүмкіндік береді».
Зерттеушілер өз жетістіктерін 2024 жылдың наурыз айында Advanced Materials Technology журналында жарияланған мақалада егжей-тегжейлі сипаттады.
Топ өз сенсорын Висконсинмен байланысты екі түрлі топырақ түріне — штаттың солтүстік-орталық бөліктерінде жиі кездесетін құмды топырақтарға және Висконсиннің оңтүстік-батысында жиі кездесетін лайлы сазды топырақтарға — сынақтан өткізді және сенсорлардың дәл нәтижелер бергенін анықтады.
Зерттеушілер қазір нитрат сенсорын «сенсор жапсырмасы» деп аталатын көпфункционалды сенсорлық жүйеге біріктіруде, онда үш түрлі сенсор жабысқақ негізді пайдаланып икемді пластикалық бетке орнатылады. Жапсырмаларда ылғалдылық пен температура сенсорлары да бар.
Зерттеушілер бағанаға бірнеше сенсорлық стикерлерді жабыстырады, оларды әртүрлі биіктікке қояды, содан кейін бағанды топыраққа көмеді. Бұл қондырғы оларға әртүрлі топырақ тереңдігінде өлшеу жүргізуге мүмкіндік берді.
«Әртүрлі тереңдіктегі нитратты, ылғалды және температураны өлшеу арқылы біз енді нитраттың шаймалау процесін сандық түрде анықтай аламыз және нитраттың топырақ арқылы қалай өтетінін түсіне аламыз, бұл бұрын мүмкін емес еді», - деді Эндрюс.
2024 жылдың жазында зерттеушілер сенсорды одан әрі тексеру үшін Висконсин-Мэдисон университетіндегі Хэнкок ауылшаруашылық зерттеу станциясы мен Арлингтон ауылшаруашылық зерттеу станциясындағы топыраққа 30 сенсорлық шыбық орналастыруды жоспарлап отыр.
Жарияланған уақыты: 2024 жылғы 9 шілде