Топурак таануу боюнча докторантуранын студенти Шуохао Цай Висконсин-Мэдисон университетинин Хэнкок айыл чарба изилдөө станциясында топурактын ар кандай тереңдигинде өлчөө жүргүзүүгө мүмкүндүк берген көп функциялуу сенсордук стикери бар сенсордук таякчаны орнотот.
МЭДИСОН — Висконсин-Мэдисон университетинин инженерлери Висконсин штатындагы кеңири таралган топурак түрлөрүндөгү нитраттын үзгүлтүксүз, реалдуу убакыт режиминде мониторингин камсыз кыла турган арзан баадагы сенсорлорду иштеп чыгышты. Бул басылган электрохимиялык сенсорлор дыйкандарга азык заттарды башкаруу боюнча көбүрөөк маалыматтуу чечимдерди кабыл алууга жана экономикалык пайда алууга жардам берет.
«Биздин сенсорлор дыйкандарга топурактын азыктык абалын жана өсүмдүктөрүнө жеткиликтүү нитраттын көлөмүн жакшыраак түшүнүүгө жардам берет, бул аларга чындыгында канча жер семирткич керек экенин так аныктоого жардам берет», - деди Гарвард университетинин доценти Жозеф Эндрюс. Изилдөөнү Висконсин-Мэдисон университетинин Механикалык инженерия мектеби жетектеген. «Эгерде алар сатып алган жер семирткичтин көлөмүн азайта алса, анда чыгымдарды үнөмдөө ири чарбалар үчүн олуттуу болушу мүмкүн».
Нитраттар өсүмдүктөрдүн өсүшү үчүн маанилүү азык зат болуп саналат, бирок ашыкча нитраттар топурактан сиңип, жер астындагы сууларга кириши мүмкүн. Булгануунун бул түрү булганган кудуктан суу ичкен адамдар үчүн зыяндуу жана айлана-чөйрөгө зыяндуу. Изилдөөчүлөрдүн жаңы сенсору нитраттардын сиңип кетишин көзөмөлдөө жана анын зыяндуу таасирин азайтуу боюнча эң мыкты тажрыйбаларды иштеп чыгууга жардам берүү үчүн айыл чарба изилдөө куралы катары да колдонулушу мүмкүн.
Топурак нитратын көзөмөлдөөнүн учурдагы ыкмалары көп эмгекти талап кылат, кымбат жана реалдуу убакыттагы маалыматтарды бербейт. Ошондуктан басма электроникасы боюнча эксперт Эндрюс жана анын командасы жакшыраак, арзаныраак чечимди түзүүгө киришти.
Бул долбоордо изилдөөчүлөр потенциометриялык сенсорду, башкача айтканда, жука пленкалуу электрохимиялык сенсордун бир түрүн түзүү үчүн сыя бүркүтүүчү басып чыгаруу процессин колдонушкан. Потенциометриялык сенсорлор көбүнчө суюк эритмелердеги нитраттын көлөмүн так өлчөө үчүн колдонулат. Бирок, бул сенсорлор, адатта, топурак чөйрөсүндө колдонууга ылайыктуу эмес, анткени топурактын чоң бөлүкчөлөрү сенсорлорду чийип, так өлчөөлөргө тоскоол болушу мүмкүн.
«Биз чечүүгө аракет кылып жаткан негизги кыйынчылык - бул электрохимиялык сенсорлордун катаал топурак шарттарында туура иштешин жана нитрат иондорун так аныктоонун жолун табуу болчу», - деди Эндрюс.
Команданын чечими сенсорго поливинилиден фторидинин катмарын коюу болгон. Эндрюстун айтымында, бул материалдын эки негизги өзгөчөлүгү бар. Биринчиден, анын өлчөмү болжол менен 400 нанометр болгон өтө кичинекей тешикчелери бар, алар нитрат иондорунун өтүп, топурактын бөлүкчөлөрүн тосуп турат. Экинчиден, ал гидрофилдүү, башкача айтканда, сууну өзүнө тартып, губка сыяктуу сиңирип алат.
«Ошентип, нитраттарга бай суу биздин сенсорлорго артыкчылыктуу түрдө сиңип кетет, бул абдан маанилүү, анткени топурак дагы губка сыяктуу жана эгер сиз ошол эле сууну сиңире албасаңыз, сенсорго нымдуулуктун кириши жагынан күрөштө утулуп каласыз. Топурактын потенциалы», - деди Эндрюс. «Поливинилиден фторид катмарынын бул касиеттери бизге нитраттарга бай сууну бөлүп алууга, аны сенсордун бетине жеткирүүгө жана нитраттын так аныкталышына мүмкүндүк берет».
Изилдөөчүлөр өздөрүнүн жетишкендиктерин 2024-жылдын март айында Advanced Materials Technology журналында жарыяланган макалада кеңири баяндашкан.
Команда өз сенсорун Висконсин менен байланышкан эки башка топурак түрүндө — штаттын түндүк-борбордук бөлүктөрүндө кеңири таралган кумдуу топурактарда жана Висконсиндин түштүк-батышында кеңири таралган ылайлуу топурактарда — сынап көрүштү жана сенсорлор так натыйжаларды бергенин аныкташты.
Изилдөөчүлөр азыр нитрат сенсорун "сенсордук чаптама" деп аталган көп функциялуу сенсордук системага интеграциялап жатышат, анда үч түрдүү сенсор ийкемдүү пластикалык бетке желим катмары менен орнотулат. Чаптамаларда ошондой эле нымдуулук жана температура сенсорлору бар.
Изилдөөчүлөр мамыга бир нече сенсордук чаптамаларды чаптап, аларды ар кандай бийиктикке орнотуп, андан кийин мамыча топуракка көмүшөт. Бул орнотуу аларга ар кандай топурак тереңдигинде өлчөө жүргүзүүгө мүмкүндүк берди.
«Нитраттын көлөмүн, нымдуулукту жана температураны ар кандай тереңдикте өлчөө менен, биз эми нитраттын жуулуп кетүү процессин сандык жактан аныктап, нитраттын топурак аркылуу кантип өтөрүн түшүнө алабыз, мурда бул мүмкүн эмес болчу», - деди Эндрюс.
2024-жылдын жайында изилдөөчүлөр Висконсин-Мэдисон университетинин Хэнкок айыл чарба изилдөө станциясында жана Арлингтон айыл чарба изилдөө станциясында сенсорду андан ары текшерүү үчүн топуракка 30 сенсордук таякча жайгаштырууну пландаштырууда.
Жарыяланган убактысы: 2024-жылдын 9-июлу