Датчики влажности почвы помогут снизить затраты в сельском хозяйстве

Ученые KAUST разработали быстрый и чувствительный датчик влажности почвы, в основе которого лежит металлоорганический каркас (MOF) с очень высокой чувствительностью к воде. Интеллектуальные электронные датчики почвы могут позволить фермерам подавать индивидуальные дозы воды для своих культур, максимально увеличивая производство продуктов питания и экономя воду, утверждают ученые.

Эффективное использование воды является ключевой проблемой для фермеров, которым приходится кормить растущее население планеты в условиях изменения климата.

«Управление орошением может помочь улучшить качество урожая, снизить затраты на сельское хозяйство и сохранить воду», — говорит Мохамед Эддауди, который руководил исследованием вместе с Халедом Саламой. «Высокочувствительные и селективные датчики влажности почвы позволяют улучшить процесс управления водными ресурсами», — добавляет Салама.

Эддауди и его сотрудники показали, что MOF могут хорошо подходить для определения влажности почвы. MOF представляют собой высокопористые синтетические материалы с клеточной внутренней структурой, которые могут быть адаптированы для размещения определенных малых молекул, включая воду.

«Благодаря своей модульной пористой структуре и простоте функционализации MOF являются отличными кандидатами для сенсорных приложений», — говорит Усама Шекха, научный сотрудник группы Эддауди. «Тонкие пленки MOF уже используются в электронных устройствах , что открывает путь к их практическому использованию», — добавляет он.

MOF были выбраны на основе их гидролитической стабильности, водоемкости и водопоглощения. Ученые исследовали несколько различных MOF, в том числе высокопористый Cr-soc-MOF-1, разработанный группой в KAUST, который может улавливать в воде вдвое больше собственного веса.

Команда нанесла MOF на недорогой микродатчик с встречно-штыревыми электродами, который можно изготовить с помощью струйной печати или лазерного травления. Когда этот датчик был вставлен во влажную почву, воздух в MOF был вытеснен водой, что изменило его электрическую емкость, и этот процесс можно обнаружить и измерить.

Каждое устройство было испытано на глинистой и суглинистой песчаной почве, которые могут демонстрировать значительные различия в текстуре и водоудерживающей способности. Примечательно, что датчик влажности почвы с покрытием Cr-soc-MOF-1 показал самую высокую чувствительность около 450% в глинистой почве со временем отклика около 500 секунд. Реакция датчика была очень селективной в отношении воды, даже когда в почве присутствовали различные ионы металлов.

«В настоящее время мы проектируем и разрабатываем портативный прототип датчика влажности почвы на основе MOF, который можно легко использовать для контрольных экспериментов в реальных полевых измерениях», — говорит Эддауди. «Мы ожидаем, что датчики влажности почвы на основе MOF усовершенствуют технологию датчиков влажности почвы следующего поколения, предлагая автоматизированные и точные системы орошения», — добавляет Салама.

Источник: Университет науки и технологий короля Абдаллы (KAUST)