Испанскими учеными в Университете им. Хауме I под руководством Хуана Бискерта (Juan Bisquert) был разработан дешевый, надежный, а главное - непревзойденный по чувствительности датчик влажности, сконструированный на основе широко используемого в полупроводниковой промышленности оксида индия и олова (indium tin oxide, ITO). Этот прибор позволит повысить урожайность сельскохозяйственных угодий в регионах с сухим климатом, а также поможет экономить воду (F Fabregat-Santiago et al 2002 Appl. Phys. Lett. 80 2785).

Современные системы ирригации позволяют автоматизировать процесс полива посадок. При этом полив производится через определенные промежутки времени, что может быть недостаточно эффективно в сухом климате, - ведь необходимо учитывать возможность как внезапного выпадения осадков, так и необычно жарких дней. Для поддержания влажности почвы на определенном уровне могут применяться гигродатчики, однако обычно образцы подобного рода устройств достаточно дороги и обладают высокой чувствительностью лишь при высоких значениях влажности, что неактуально в пустынных и полупустынных регионах.

Для разрешения проблемы управления поливом испанские ученые предлагают использовать оксид олова с примесью индия, обладающий свойствами "вырожденного" полупроводника с температурной зависимостью проводимости, близкой к металлической. Этот материал часто используется в качестве подложек для интегральных микросхем, что делает достаточно доступным получение стекол с покрытием из ITO. В качестве гигрометра ученые предлагают гениальное по своей простоте решение. На ITO-покрытии маленького (сантиметрового размера) стеклышка удаляется полоска полупроводникового материала, разделяющая стекло на две части, к которым подключаются разноименные клеммы источника электропитания. Полученную конструкцию затем погружают в орошаемую почву так, что частицы почвы заполняют образовавшийся между "половинами" стекла канал. Влажность почвы ученые определяли по измерениям электрического сопротивления почвы при поливе и высыхании.

Изменяя влажность почвы в пределах от 5 до 10 процентов, исследователи обнаружили, что величина сопротивления при этом меняется на два порядка, что определяет высокую чувствительность устройства уже при малых значениях влажности. Результат удавалось воспроизвести и при изменении кислотности почвы, что соответствует введению химических удобрений.

Хотя высокая чувствительность прибора проистекает из свойств индиевого оксида олова, принцип его действия совершенно тот же, что и в других аналогичных датчиках влажности: при абсорбировании на поверхности датчика молекулы воды образуют ионы H₃O⁺ и OH^-. Проводимость "осуществляется" последовательной "конвейерной" передачей протона от иона H₃O⁺ к соседней молекуле под действием электростатического поля. Таким образом становится очевидна причина роста проводимости почвы с увеличением количества влаги в ней.

Теперь ученые планируют попытаться проградуировать прибор в соответствии с потребностями различных сельскохозяйственных культур. Как отмечает руководитель проекта Хуан Бискерт, это ключевая стадия эксперимента, поскольку производство таких датчиков наладить очень легко.

Источник: PhysicsWeb от 16 апреля 2002