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
