Kombination aus anorganischen Baueinheiten mit organischen Materialien
Seit 2009 werden an der KAUST Lösungen für einige der drängendsten wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen der Welt in den Bereichen Ernährung, Wasser, Energie, Umwelt und Digitalisierung gesucht. Forschende haben jetzt einen neuartigen Sensor entwickelt, der die Bodenfeuchtigkeit misst und dessen Herzstück ein metallorganisches Gerüst (MOF) mit einer sehr hohen Affinität für Wasser ist. Dabei handelt es sich um mikroporöse Materialien, die aus anorganischen Baueinheiten, sogenannten Inorganic building units (IBU) und organischen Molekülen als Verbindungselementen zwischen den anorganischen Baueinheiten aufgebaut sind. Die Struktur sei demnach käfigartig und hat die Möglichkeit, Wasser aufzunehmen. Bei der Forschung wurden verschiedene MOFs untersucht und das sogenannte hochporöse Cr-soc-MOF-1 entwickelt. Das könne das Doppelte seines Eigengewichts an Wasser aufnehmen.
Tests mit verschiedenen Böden und Sensoren
Die Wissenschaftler beschichteten einen kostengünstigen Mikrosensor mit diesem entwickelten MOF. Als dieser in den Boden gesteckt wurde, wurde die Luft im MOF durch Wasser verdrängt, wodurch sich seine elektrische Kapazität änderte. Das Team testete daraufhin verschiedene Bodenarten mit dem Sensor. In lehmigem Boden hatte dieser eine Empfindlichkeit von etwa 450 Prozent mit einer Ansprechzeit von etwa 500 Sekunden. Der Sensor reagierte hochselektiv auf Wasser, auch wenn verschiedene Metallionen im Boden vorhanden waren.
„Kosten senken und Wasser sparen“
„Das Bewässerungsmanagement kann dazu beitragen, die Qualität der Ernte zu verbessern, die landwirtschaftlichen Kosten zu senken und Wasser zu sparen“, erklärt Mohamed Eddaoudi, der die Forschung zusammen mit Khaled Salama geleitet hat. „Hochempfindliche und selektive Bodenfeuchtesensoren haben das Potenzial, den Wassermanagementprozess zu verbessern“, ergänzt Salama. „Wir entwerfen und entwickeln jetzt einen tragbaren Prototyp eines MOF-basierten Bodenfeuchtesensors, der leicht für Kontrollexperimente bei realen Messungen im Feld verwendet werden kann“, skizziert Eddaoudi die nächsten Schritte. „Wir gehen davon aus, dass MOF-basierte Bodenfeuchtesensoren die nächste Generation der Bodenfeuchtesensorik vorantreiben und automatische und präzise Bewässerungssysteme ermöglichen werden“, fügt Salama hinzu.
