Шуохао Цай, дактарант па глебазнаўстве, размяшчае сэнсарны стрыжань з шматфункцыянальнай налепкай, якая дазваляе вымяраць на рознай глыбіні глебы, у сельскагаспадарчай даследчай станцыі Хэнкок пры Універсітэце Вісконсіна ў Мэдысане.
МЭДЫСАН — Інжынеры Універсітэта Вісконсіна ў Мэдысане распрацавалі недарагія датчыкі, якія могуць забяспечваць бесперапынны маніторынг нітратаў у рэжыме рэальнага часу ў распаўсюджаных тыпах глебы Вісконсіна. Гэтыя друкаваныя электрахімічныя датчыкі могуць дапамагчы фермерам прымаць больш абгрунтаваныя рашэнні па кіраванні пажыўнымі рэчывамі і атрымліваць эканамічныя выгады.
«Нашы датчыкі могуць даць фермерам лепшае разуменне пажыўнага стану іх глебы і колькасці нітратаў, даступных для іх раслін, дапамагаючы ім больш дакладна вызначаць, колькі ўгнаенняў ім насамрэч патрэбна», — сказаў Джозэф Эндрус, дацэнт Гарвардскага ўніверсітэта. Даследаванне было праведзена пад кіраўніцтвам Школы машынабудавання пры Універсітэце Вісконсін-Мэдысан. «Калі яны змогуць скараціць колькасць угнаенняў, якія яны купляюць, эканомія выдаткаў можа быць значнай для буйных ферм».
Нітраты з'яўляюцца неабходным пажыўным рэчывам для росту сельскагаспадарчых культур, але лішак нітратаў можа вымывацца з глебы і трапляць у грунтавыя воды. Гэты тып забруджвання шкодны для людзей, якія п'юць забруджаную ваду з калодзежоў, і шкодны для навакольнага асяроддзя. Новы датчык даследчыкаў таксама можа быць выкарыстаны ў якасці інструмента сельскагаспадарчых даследаванняў для маніторынгу вымывання нітратаў і распрацоўкі перадавых практык па змякчэнні яго шкоднага ўздзеяння.
Сучасныя метады маніторынгу нітратаў у глебе працаёмкія, дарагія і не даюць дадзеных у рэжыме рэальнага часу. Вось чаму эксперт па друкаванай электроніцы Эндрус і яго каманда вырашылі стварыць лепшае і менш дарагое рашэнне.
У гэтым праекце даследчыкі выкарысталі працэс струменевага друку для стварэння патэнцыяметрычнага датчыка, тыпу тонкаплёнкавага электрахімічнага датчыка. Патэнцыяметрычныя датчыкі часта выкарыстоўваюцца для дакладнага вымярэння нітратаў у вадкіх растворах. Аднак гэтыя датчыкі звычайна не падыходзяць для выкарыстання ў глебавых асяроддзях, паколькі буйныя часціцы глебы могуць падрапаць датчыкі і перашкодзіць дакладным вымярэнням.
«Асноўная праблема, якую мы спрабавалі вырашыць, заключалася ў тым, каб знайсці спосаб прымусіць гэтыя электрахімічныя датчыкі належным чынам працаваць у суровых глебавых умовах і дакладна выяўляць іоны нітратаў», — сказаў Эндрус.
Рашэнне каманды заключалася ў тым, каб размясціць на датчыку пласт полівінілідэнфтарыду. Паводле слоў Эндрус, гэты матэрыял мае дзве ключавыя характарыстыкі. Па-першае, ён мае вельмі малюсенькія пары, памерам каля 400 нанаметраў, якія дазваляюць іёнам нітратаў праходзіць, блакуючы часцінкі глебы. Па-другое, ён гідрафільны, гэта значыць прыцягвае ваду і ўбірае яе, як губка.
«Такім чынам, любая вада, багатая нітратамі, будзе пераважна прасочвацца ў нашы датчыкі, што вельмі важна, бо глеба таксама падобная да губкі, і вы прайграеце бітву з пункту гледжання траплення вільгаці ў датчык, калі не зможаце атрымаць такое ж водапаглынанне. Патэнцыял глебы», — сказаў Эндрус. «Гэтыя ўласцівасці пласта полівінілідэнфтарыду дазваляюць нам здабываць багатую нітратамі ваду, дастаўляць яе на паверхню датчыка і дакладна выяўляць нітраты».
Даследчыкі падрабязна апісалі свой прагрэс у артыкуле, апублікаваным у сакавіку 2024 года ў часопісе Advanced Materials Technology.
Каманда пратэставала свой датчык на двух розных тыпах глебы, якія сустракаюцца ў Вісконсіне — пясчаных глебах, распаўсюджаных у паўночна-цэнтральных раёнах штата, і глеістых суглінках, распаўсюджаных на паўднёвым захадзе Вісконсіна, — і выявіла, што датчыкі даюць дакладныя вынікі.
Зараз даследчыкі інтэгруюць свой датчык нітратаў у шматфункцыянальную сістэму датчыкаў пад назвай «налепка датчыка», у якой тры розныя тыпы датчыкаў мацуюцца на гнуткай пластыкавай паверхні з дапамогай клейкай падкладкі. Налепкі таксама ўтрымліваюць датчыкі вільготнасці і тэмпературы.
Даследчыкі прымацуюць некалькі сэнсарных налепак да слупа, размесцяць іх на рознай вышыні, а затым закапаюць слуп у глебу. Гэтая ўстаноўка дазволіла ім праводзіць вымярэнні на рознай глыбіні глебы.
«Вымяраючы нітраты, вільготнасць і тэмпературу на рознай глыбіні, мы цяпер можам колькасна ацаніць працэс вымывання нітратаў і зразумець, як нітраты рухаюцца праз глебу, што раней было немагчыма», — сказаў Эндрус.
Улетку 2024 года даследчыкі плануюць размясціць 30 сэнсарных стрыжняў у глебе на сельскагаспадарчай даследчай станцыі Хэнкока і на сельскагаспадарчай даследчай станцыі Арлінгтана пры Універсітэце Вісконсіна-Мэдысан для далейшага тэставання датчыка.
Час публікацыі: 09 ліпеня 2024 г.