Dirvožemio mokslų doktorantas Shuohao Cai Viskonsino-Madisono universiteto Hancocko žemės ūkio tyrimų stotyje į dirvožemį įdeda jutiklinį strypą su daugiafunkciu jutiklio lipduku, kuris leidžia atlikti matavimus skirtinguose gyliuose.
MADISON. Viskonsino-Madisono universiteto inžinieriai sukūrė nebrangius jutiklius, kurie gali nuolat stebėti nitratų kiekį realiuoju laiku įprastuose Viskonsino dirvožemio tipuose. Šie spausdinti elektrocheminiai jutikliai gali padėti ūkininkams priimti labiau pagrįstus sprendimus dėl maistinių medžiagų valdymo ir gauti ekonominės naudos.
„Mūsų jutikliai gali padėti ūkininkams geriau suprasti dirvožemio maistinę būklę ir nitratų kiekį, kurį gali gauti jų augalai, padėdami jiems tiksliau nuspręsti, kiek trąšų jiems iš tikrųjų reikia“, – teigė Josephas Andrewsas, Harvardo universiteto docentas. Tyrimui vadovavo Viskonsino-Madisono universiteto Mechanikos inžinerijos mokykla. „Jei jie galėtų sumažinti perkamų trąšų kiekį, didesniems ūkiams sutaupytos išlaidos galėtų būti didelės.“
Nitratai yra būtina maistinė medžiaga augalų augimui, tačiau nitratų perteklius gali išsiplauti iš dirvožemio ir patekti į gruntinius vandenis. Šis užterštumo tipas kenkia žmonėms, kurie geria užterštą šulinio vandenį, ir aplinkai. Naujasis tyrėjų jutiklis taip pat galėtų būti naudojamas kaip žemės ūkio tyrimų priemonė nitratų išplovimui stebėti ir padėti sukurti geriausią praktiką, kaip sušvelninti jo žalingą poveikį.
Dabartiniai dirvožemio nitratų stebėjimo metodai yra daug darbo reikalaujantys, brangūs ir nesuteikia duomenų realiuoju laiku. Todėl spausdintinės elektronikos ekspertas Andrewsas ir jo komanda nusprendė sukurti geresnį ir pigesnį sprendimą.
Šiame projekte tyrėjai, naudodami rašalinį spausdinimo procesą, sukūrė potenciometrinį jutiklį – plonasluoksnio elektrocheminio jutiklio tipą. Potenciometriniai jutikliai dažnai naudojami tiksliam nitratų kiekio skystuose tirpaluose matavimui. Tačiau šie jutikliai paprastai netinka naudoti dirvožemio aplinkoje, nes didelės dirvožemio dalelės gali subraižyti jutiklius ir trukdyti atlikti tikslius matavimus.
„Pagrindinis iššūkis, kurį bandėme išspręsti, buvo rasti būdą, kaip priversti šiuos elektrocheminius jutiklius tinkamai veikti atšiauriomis dirvožemio sąlygomis ir tiksliai aptikti nitratų jonus“, – sakė Andrewsas.
Komandos sprendimas buvo ant jutiklio uždėti polivinilidenfluorido sluoksnį. Pasak Andrewso, ši medžiaga turi dvi pagrindines savybes. Pirma, ji turi labai mažas, maždaug 400 nanometrų dydžio poras, kurios praleidžia nitratų jonus ir blokuoja dirvožemio daleles. Antra, ji yra hidrofilinė, tai yra, pritraukia vandenį ir sugeria jį kaip kempinė.
„Taigi, bet koks nitratais prisotintas vanduo pirmiausia įsigers į mūsų jutiklius, o tai labai svarbu, nes dirvožemis taip pat yra kaip kempinė ir pralaimėsite kovą dėl drėgmės patekimo į jutiklį, jei nepavyks pasiekti tokio paties vandens sugėrimo lygio. Dirvožemio potencialas“, – sakė Andrewsas. „Šios polivinilidenfluorido sluoksnio savybės leidžia mums išgauti nitratais prisotintą vandenį, tiekti jį ant jutiklio paviršiaus ir tiksliai aptikti nitratus.“
Tyrėjai išsamiai aprašė savo pažangą straipsnyje, paskelbtame 2024 m. kovo mėn. žurnale „Advanced Materials Technology“.
Komanda išbandė savo jutiklį dviejuose skirtinguose dirvožemio tipuose, susijusiuose su Viskonsinu – smėlinguose dirvožemiuose, paplitusiuose šiaurinėje-centrinėje valstijos dalyje, ir dumblėtuose priemoliuose, paplitusiuose pietvakarių Viskonsine, – ir nustatė, kad jutikliai pateikė tikslius rezultatus.
Tyrėjai dabar integruoja savo nitratų jutiklį į daugiafunkcę jutiklių sistemą, kurią jie vadina „jutiklio lipduku“, kurioje trijų skirtingų tipų jutikliai tvirtinami ant lanksčio plastikinio paviršiaus lipnia plėvele. Lipdukuose taip pat yra drėgmės ir temperatūros jutikliai.
Tyrėjai pritvirtins kelis sensorinius lipdukus prie stulpo, padės juos skirtinguose aukščiuose, o tada stulpą įkas į dirvą. Ši įranga leido jiems atlikti matavimus skirtinguose dirvožemio gyliuose.
„Matuodami nitratus, drėgmę ir temperatūrą skirtinguose gyliuose, dabar galime kiekybiškai įvertinti nitratų išplovimo procesą ir suprasti, kaip nitratai juda dirvožemyje, o tai anksčiau nebuvo įmanoma“, – teigė Andrewsas.
2024 m. vasarą tyrėjai planuoja įdėti 30 jutiklių strypų į dirvožemį Hancocko žemės ūkio tyrimų stotyje ir Arlingtono žemės ūkio tyrimų stotyje Viskonsino-Madisono universitete, kad būtų galima toliau išbandyti jutiklį.
Įrašo laikas: 2024 m. liepos 9 d.