Баспа әдісімен жасалған топырақ сенсорлары фермерлерге егін өнімділігін арттыруға және шығындарды азайтуға көмектесе алады.

Висконсин-Мэдисон университетінің инженерлері Висконсин штатында кең таралған топырақ түрлері үшін топырақ нитратының деңгейін нақты уақыт режимінде бақылауға арналған қолжетімді сенсорларды жасап шығарды. Бұл басып шығарылған электрохимиялық сенсорлар фермерлерге тыңайтқыштар туралы ақылды шешім қабылдауға көмектесе алады, бұл оларға ақша үнемдеуге мүмкіндік береді.

“Біздің сенсорларымыз фермерлерге топырақтағы қоректік заттардың деңгейі және дақылдар үшін қанша нитрат бар екендігі туралы нақты түсінік бере алады. Бұл ақпарат оларға қанша тыңайтқыш қажет екендігі туралы дәл шешім қабылдауға мүмкіндік береді”, - дейді Нью-Джерси-Мэдисон университетінің машина жасау бойынша доценті және жетекші зерттеуші Джозеф Эндрюс. “Тыңайтқыштарды пайдалануды азайту, әсіресе ірі шаруашылықтар үшін, айтарлықтай шығындарды үнемдеуге әкелуі мүмкін”.”

Нитрат дақылдардың өсуі үшін өте маңызды, бірақ оның тым көп мөлшері жер асты суларына сіңіп, ауыз суды ластап, қоршаған ортаға зиян келтіруі мүмкін. Бұл жаңа сенсорлар ауылшаруашылық зерттеулерінде құрал ретінде қызмет ете алады, нитрат ағынын бақылайды және ластануды азайту бойынша жақсы тәжірибелерді бағыттайды.

Топырақ нитратын бақылаудың дәстүрлі әдістері көп уақытты қажет етеді, қымбатқа түседі және бірден нәтиже бермейді. Бұл мәселені шешу үшін баспа электроникасы бойынша сарапшы Эндрюс және оның командасы бұл сенсорларды қарапайым және үнемді балама ретінде жасады.

Бұл жоба үшін зерттеушілер электрохимиялық реакцияларды пайдаланатын жұқа қабықшалы сенсордың бір түрі болып табылатын потенциометриялық сенсорларды жасау үшін сия бүріккіш басып шығару әдісін қолданды. Бұл сенсорлар әдетте сұйық ерітінділердегі нитрат деңгейін дәл өлшеу үшін қолданылады. Дегенмен, олар әдетте топырақта жақсы жұмыс істемейді, себебі кедір-бұдыр топырақ бөлшектері сенсорларды сызып, дәл көрсеткіштерге әсер етуі мүмкін.

Эндрюс былай деп түсіндіреді: “Біздің басты мақсатымыз - бұл электрохимиялық сенсорлардың қиын топырақ жағдайларында тиімді жұмыс істеуін және нитрат иондарын дәл анықтауын қамтамасыз ету”.”

Бұл мәселені шешу үшін топ сенсордың үстіне поливинилиден фториді деп аталатын материалды пайдаланып қорғаныш қабатын қосты. Эндрюстің айтуынша, бұл материалдың екі маңызды қасиеті бар. Біріншіден, оның нитрат иондарының өтуіне мүмкіндік беретін, бірақ топырақ бөлшектерінің өтуіне жол бермейтін өте кішкентай тесіктері бар, шамамен 400 нанометр. Екіншіден, ол гидрофильді, яғни губка сияқты суды тартады.

Эндрюс былай дейді: “Бұл нитраттар бар кез келген суды біздің сенсор сіңіреді дегенді білдіреді, бұл өте маңызды, себебі топырақ та суды сіңіреді. Онсыз сенсорға жеткілікті ылғал алу қиын болар еді, бірақ біздің материалымыз топырақтың су сіңіруіне сәйкес келетіндіктен, дәл көрсеткіштер үшін нитратқа бай суды сенсор бетіне тартуға көмектеседі”.”

Зерттеушілер өз жетістіктерімен 2024 жылдың наурыз айында Advanced Material Technologies журналында жарияланған мақалада бөлісті.

Топ өз сенсорларын Висконсин штатында кездесетін екі топырақ түрінде сынап көрді: солтүстік-орталық аймақта кең таралған құмды топырақта және оңтүстік-батыс Висконсин штатында кездесетін лайлы сазды топырақта. Олар сенсорлардың екі түрде де дәл нәтижелер бергенін анықтады.

Қазір зерттеушілер нитрат сенсорларын “сезгіш стикер” деп аталатын жүйеге қосуда. Бұл жүйе үш түрлі сенсорды — нитраттар, ылғал және температура үшін — артқы жағында желімі бар икемді пластикалық параққа біріктіреді.

Олар осы сенсорлық стикерлердің бірнешеуін әртүрлі биіктіктегі қармаққа орналастыруды, содан кейін қармақшаны топыраққа көмуді жоспарлап отыр. Бұл қондырғы оларға топырақтың әртүрлі тереңдігіндегі жағдайларды өлшеуге мүмкіндік береді.

Эндрюс былай деп түсіндіреді: “Әртүрлі топырақ тереңдігіндегі нитраттың мөлшерін, ылғалдылықты және температураны өлшеу арқылы біз енді нитраттың шайылу процесін бақылай аламыз және нитраттың топырақ арқылы қалай өтетінін бақылай аламыз, бұл бұрын біз жасай алмайтын нәрсе”.”

2024 жылдың жазында зерттеушілер Уэльс-Мэдисонның Хэнкок және Арлингтон ауылшаруашылық зерттеу станцияларында топыраққа 30 сенсорлық шыбық орналастыру арқылы сенсорларын сынауды жалғастырады.

Команда бұл технологияны Висконсин түлектерінің зерттеу қоры арқылы патенттеу бойынша жұмыс істеп жатыр.

UW–Madison университетінің бірлескен авторларының қатарында Топырақтану кафедрасының Куан-Ю Чен, Аатреша Бисвас, Шуохао Цай және профессор Цзиньйи Хуан бар.

Бұл зерттеу USDA Ауыл шаруашылығы және азық-түлік зерттеулері бастамасының іргелі бағдарламасымен (жоба № WIS04075), Ұлттық ғылым қорының «Топырақтағы сигналдар» гранты 2226568 және Висконсин-Мэдисон университетінің сүт өнімдерін инновациялау орталығымен қаржыландырылды.