Инженери от Университета на Уисконсин-Мадисън са разработили евтини сензори за почва.

Шуохао Цай, докторант по почвознание, поставя сензорен прът с многофункционален сензорен стикер, който позволява измервания на различна дълбочина в почвата в Селскостопанската изследователска станция на Университета на Уисконсин-Мадисън Ханкок.
МАДИСЪН — Инженери от Университета на Уисконсин-Мадисън са разработили нискобюджетни сензори, които могат да осигурят непрекъснато наблюдение в реално време на нитратите в често срещани типове почви в Уисконсин. Тези печатни електрохимични сензори могат да помогнат на фермерите да вземат по-информирани решения за управление на хранителните вещества и да реализират икономически ползи.
„Нашите сензори могат да дадат на фермерите по-добро разбиране за хранителния статус на почвата им и количеството нитрати, достъпни за техните растения, като им помагат да решат по-точно от колко тор всъщност се нуждаят“, каза Джоузеф Андрюс, доцент в Харвардския университет. Проучването е ръководено от Училището по машиностроене към Университета на Уисконсин-Мадисън. „Ако могат да намалят количеството тор, което купуват, икономиите на разходи биха могли да бъдат значителни за по-големите ферми.“
Нитратите са основно хранително вещество за растежа на културите, но излишните нитрати могат да се излужват от почвата и да попаднат в подпочвените води. Този вид замърсяване е вреден за хората, които пият замърсена вода от кладенци, и е вреден за околната среда. Новият сензор на изследователите може да се използва и като инструмент за селскостопански изследвания за наблюдение на излужването на нитрати и за разработване на най-добри практики за смекчаване на вредните му ефекти.
Съвременните методи за мониторинг на нитратите в почвата са трудоемки, скъпи и не предоставят данни в реално време. Ето защо експертът по печатна електроника Андрюс и неговият екип се заеха да създадат по-добро и по-евтино решение.
В този проект изследователите са използвали процес на мастилено-струен печат, за да създадат потенциометричен сензор, вид тънкослоен електрохимичен сензор. Потенциометричните сензори често се използват за точно измерване на нитрати в течни разтвори. Тези сензори обаче обикновено не са подходящи за употреба в почвени среди, тъй като големите почвени частици могат да надраскат сензорите и да попречат на точните измервания.
„Основното предизвикателство, което се опитвахме да решим, беше да намерим начин тези електрохимични сензори да работят правилно в тежки почвени условия и точно да откриват нитратни йони“, каза Андрюс.
Решението на екипа е било да постави слой поливинилиден флуорид върху сензора. Според Андрюс, този материал има две ключови характеристики. Първо, той има много малки пори, с размер около 400 нанометра, които позволяват на нитратните йони да преминават, като същевременно блокират почвените частици. Второ, той е хидрофилен, тоест привлича вода и я абсорбира като гъба.
„Така че всяка вода, богата на нитрати, ще проникне преференциално в нашите сензори, което е наистина важно, защото почвата е като гъба и ще загубите битката по отношение на навлизането на влага в сензора, ако не можете да получите същото водопоглъщане. Потенциал на почвата“, каза Андрюс. „Тези свойства на слоя поливинилиден флуорид ни позволяват да извличаме богата на нитрати вода, да я доставяме до повърхността на сензора и точно да откриваме нитрати.“
Изследователите описаха подробно напредъка си в статия, публикувана през март 2024 г. в списанието Advanced Materials Technology.
Екипът тества своя сензор върху два различни типа почви, свързани с Уисконсин - песъчливи почви, често срещани в северно-централните части на щата, и тинести глинести почви, често срещани в югозападен Уисконсин - и установи, че сензорите дават точни резултати.
Изследователите сега интегрират своя нитратен сензор в многофункционална сензорна система, наречена „сензорен стикер“, в която три различни вида сензори са монтирани върху гъвкава пластмасова повърхност с помощта на лепяща основа. Стикерите съдържат също сензори за влажност и температура.
Изследователите ще прикрепят няколко сензорни стикера към стълб, ще ги поставят на различна височина и след това ще заровят стълба в почвата. Тази настройка им позволи да правят измервания на различна дълбочина на почвата.
„Чрез измерване на нитрати, влага и температура на различна дълбочина, сега можем да определим количествено процеса на излужване на нитрати и да разберем как нитратите се движат през почвата, което не беше възможно преди“, каза Андрюс.
През лятото на 2024 г. изследователите планират да поставят 30 сензорни пръта в почвата в Селскостопанската изследователска станция Ханкок и Селскостопанската изследователска станция Арлингтън в Университета на Уисконсин-Мадисън, за да тестват допълнително сензора.