Pametni elektronski senzori tla mogli bi omogućiti poljoprivrednicima da isporučuju prilagođene doze vode za svoje usjeve, maksimizirajući proizvodnju hrane uz uštedu vode. Istraživači KAUST-a razvili su brz i osetljiv senzor vlage u zemljištu, u čijem srcu se nalazi metalno-organski okvir (MOF) sa veoma visokim afinitetom prema vodi.
Efikasna upotreba vode je ključni izazov za poljoprivrednike koji se suočavaju sa ishranom rastuće globalne populacije u uslovima klimatskih promena. „Upravljanje navodnjavanjem može pomoći u poboljšanju kvaliteta useva, smanjenju poljoprivrednih troškova i očuvanju vode“, kaže Mohamed Eddaudi, koji je vodio istraživanje zajedno sa Khaledom Salamom. „Visoko osetljivi i selektivni senzori vlage u tlu nude potencijal za poboljšanje procesa upravljanja vodom“, dodaje Salama.
MOF-ovi mogu biti pogodni za detekciju vlage u tlu, pokazali su Eddaoudi i njegovi saradnici. MOF-ovi su visoko porozni sintetički materijali sa unutrašnjom strukturom nalik kavezu koja se može prilagoditi da ugosti specifične male molekule, uključujući vodu. „Sa svojom modularnom poroznom strukturom i jednostavnom funkcionalizacijom, MOF-ovi su odlični kandidati za aplikacije senzora“, kaže Osama Shekhah, naučnik u Eddaudijevom timu. „MOF tanki filmovi su već ugrađeni u elektronske uređaje, otvarajući put njihovom prevođenju u upotrebu u stvarnom svetu“, dodaje on.
MOF-ovi u studiji su odabrani na osnovu njihove hidrolitičke stabilnosti, kapaciteta vode i upijanja vode. „Istražili smo nekoliko različitih MOF-ova, uključujući visoko porozni Cr-soc-MOF-1 koji je razvila naša grupa u KAUST-u koji može da uhvati dvostruko veću težinu u vodi“, kaže dr. student Norah Alsadun.
Tim je obložio MOF-ove na jeftin mikrosenzor sa interdigitalnim elektrodama koji se može proizvesti inkjet štampom ili laserskim graviranjem. Kada je ovaj senzor umetnut u vlažno tlo, vazduh u MOF-u je istisnut vodom, menjajući njegovu električnu kapacitivnost, proces koji se može detektovati i meriti.
Svaki MOF uređaj je testiran na glinovitim i ilovastim peskovitim tipovima zemljišta, što može pokazati značajne razlike u teksturi i kapacitetu zadržavanja vode. „Naročito je da je senzor vlage u zemljištu obložen Cr-soc-MOF-1 pokazao najveću osetljivost, od oko 450% u glinovitom tlu, sa vremenom odziva od oko 500 sekundi“, kaže Salama. Reakcija senzora je bila veoma selektivna za vodu čak i kada su u tlu bili prisutni razni metalni joni.
„Sada dizajniramo i razvijamo prenosivi prototip senzora vlage u zemljištu zasnovanog na MOF-u koji se lako može koristiti za kontrolne eksperimente u stvarnom svetu, merenja na terenu“, kaže Eddaoudi. „Očekujemo da će senzori vlage u zemljištu zasnovani na MOF-u unaprediti tehnologiju senzora vlage u zemljištu sledeće generacije, nudeći automatizovane i precizne sisteme za navodnjavanje“, dodaje Salama.
