En una investigación que eventualmente puede ayudar a los cultivos a sobrevivir a la sequía, los científicos de la Universidad de Princeton han descubierto una razón clave por la que mezclar materiales llamados hidrogeles con el suelo a veces ha resultado decepcionante para los agricultores.
Las perlas de hidrogel, pequeñas gotas de plástico que pueden absorber mil veces su peso en agua, parecen ideales para servir como pequeños depósitos subterráneos de agua. En teoría, a medida que el suelo se seca, los hidrogeles liberan agua para hidratar las raíces de las plantas, lo que alivia las sequías, conserva el agua y aumenta el rendimiento de los cultivos.
Sin embargo, la mezcla de hidrogeles en los campos de los agricultores ha tenido resultados irregulares. Los científicos se han esforzado por explicar estos rendimientos desiguales en gran parte porque el suelo, al ser opaco, ha frustrado los intentos de observar, analizar y, en última instancia, mejorar los comportamientos de los hidrogeles.
En un nuevo estudio, los investigadores de Princeton demostraron una plataforma experimental que permite a los científicos estudiar el funcionamiento oculto de los hidrogeles en los suelos, junto con otros entornos comprimidos y confinados. La plataforma se basa en dos ingredientes:un medio granular transparente, a saber, un paquete de perlas de vidrio, como sustituto del suelo y agua dopada con un químico llamado tiocianato de amonio. El químico cambia inteligentemente la forma en que el agua dobla la luz, compensando los efectos distorsionadores que normalmente tendrían las cuentas redondas de vidrio. El resultado es que los investigadores pueden ver directamente una gota de hidrogel coloreada en medio de la tierra falsa.
"Una especialidad de mi laboratorio es encontrar el producto químico correcto en las concentraciones correctas para cambiar las propiedades ópticas de los fluidos", dijo Sujit Datta, profesor asistente de ingeniería química y biológica en Princeton y autor principal del estudio que aparece en la revista Avances de la ciencia el 12 de febrero de 2021. "Esta capacidad permite la visualización en 3D de flujos de fluidos y otros procesos que ocurren dentro de medios opacos normalmente inaccesibles, como el suelo y las rocas".
Los investigadores de Princeton utilizaron perlas de vidrio de borosilicato como sustituto del suelo para estudiar el comportamiento de los hidrogeles que actúan como depósitos de agua en los campos agrícolas. Los investigadores usaron un aditivo para corregir la distorsión de las perlas, lo que les permitió observar claramente el hidrogel. Foto de Datta et al/Universidad de Princeton. Crédito:Datta et al/Universidad de Princeton
Los científicos utilizaron la configuración para demostrar que la cantidad de agua almacenada por los hidrogeles está controlada por un equilibrio entre la fuerza aplicada cuando el hidrogel se hincha con agua y la fuerza de confinamiento del suelo circundante. Como resultado, los hidrogeles más suaves absorben grandes cantidades de agua cuando se mezclan con las capas superficiales del suelo, pero no funcionan tan bien en las capas más profundas del suelo, donde experimentan una mayor presión. En cambio, los hidrogeles que se han sintetizado para tener más enlaces cruzados internos y, como resultado, son más rígidos y pueden ejercer una fuerza mayor sobre el suelo a medida que absorben agua, serían más efectivos en capas más profundas. Datta dijo que, guiados por estos resultados, los ingenieros ahora podrán realizar más experimentos para adaptar la química de los hidrogeles a cultivos y condiciones del suelo específicos.
"Nuestros resultados brindan pautas para diseñar hidrogeles que pueden absorber agua de manera óptima según el suelo en el que deben usarse, lo que podría ayudar a abordar la creciente demanda de alimentos y agua", dijo Datta.
La inspiración para el estudio provino de que Datta aprendiera sobre la inmensa promesa de los hidrogeles en la agricultura, pero también sobre su fracaso en cumplirla en algunos casos. Buscando desarrollar una plataforma para investigar el comportamiento de los hidrogeles en los suelos, Datta y sus colegas comenzaron con un suelo falso de perlas de vidrio de borosilicato, comúnmente utilizado para diversas investigaciones de biociencia y, en la vida cotidiana, bisutería. Los tamaños de las gotas oscilaron entre uno y tres milímetros de diámetro, de acuerdo con los tamaños de grano del suelo suelto y sin compactar.
Cuando los investigadores agregaron una solución acuosa de tiocianato de amonio, eliminó la distorsión causada por las perlas de vidrio de borosilicato y permitió una visión clara del hidrogel. Crédito:Datta et al/Universidad de Princeton
En el verano de 2018, Datta asignó a Margaret O'Connell, entonces estudiante de pregrado de Princeton que trabajaba en su laboratorio a través del programa ReMatch+ de Princeton, para identificar aditivos que cambiarían el índice de refracción del agua para compensar la distorsión de la luz de las perlas, y aun así permitir que un hidrogel absorba de manera efectiva agua. O'Connell se alió sobre una solución acuosa con algo más de la mitad de su peso aportado por tiocianato de amonio.
Nancy Lu, estudiante de posgrado en Princeton, y Jeremy Cho, luego postdoctorado en el laboratorio de Datta y ahora profesor asistente en la Universidad de Nevada, Las Vegas, construyeron una versión preliminar de la plataforma experimental. Colocaron una esfera de hidrogel de color, hecha de un material de hidrogel convencional llamado poliacrilamida, en medio de las perlas y recopilaron algunas observaciones iniciales.
Jean-Francois Louf, investigador posdoctoral en el laboratorio de Datta, luego construyó una segunda versión perfeccionada de la plataforma y realizó los experimentos cuyos resultados se informaron en el estudio. Esta plataforma final incluía un pistón pesado para generar presión en la parte superior de las perlas, simulando un rango de presiones que un hidrogel encontraría en el suelo, dependiendo de qué tan profundo se implante el hidrogel.
En general, los resultados mostraron la interacción entre los hidrogeles y los suelos, en función de sus respectivas propiedades. Un marco teórico que el equipo desarrolló para capturar este comportamiento ayudará a explicar los confusos resultados de campo recopilados por otros investigadores, donde a veces los rendimientos de los cultivos mejoraron, pero otras veces los hidrogeles mostraron beneficios mínimos o incluso degradaron la compactación natural del suelo, aumentando el riesgo de erosión.
Rubén Juanes, profesor de ingeniería civil y ambiental en el Instituto Tecnológico de Massachusetts que no participó en el estudio, ofreció comentarios sobre su importancia. "Este trabajo abre oportunidades tentadoras para el uso de hidrogeles como condensadores del suelo que modulan la disponibilidad de agua y controlan la liberación de agua a las raíces de los cultivos, de una manera que podría proporcionar un verdadero avance tecnológico en la agricultura sostenible", dijo Juanes.
Otras aplicaciones de los hidrogeles se beneficiarán del trabajo de Datta y sus colegas. Las áreas de ejemplo incluyen la recuperación de petróleo, la filtración y el desarrollo de nuevos tipos de materiales de construcción, como hormigón infundido con hidrogeles para evitar el secado excesivo y el agrietamiento. Un área particularmente prometedora es la biomedicina, con aplicaciones que van desde la administración de fármacos hasta la curación de heridas y la ingeniería de tejidos artificiales.
"Los hidrogeles son un material realmente genial y versátil con el que también es divertido trabajar", dijo Datta. “Pero mientras que la mayoría de los estudios de laboratorio se centran en ellos en entornos no confinados, muchas aplicaciones implican su uso en espacios reducidos y confinados. Estamos muy entusiasmados con esta sencilla plataforma experimental porque nos permite ver lo que otras personas no podían ver antes”.
Referencia:"Bajo presión:hinchazón de hidrogel en un medio granular" por Jean-François Louf, Nancy B. Lu, Margaret G. O'Connell, H. Jeremy Cho y Sujit S. Datta, 12 de febrero de 2021, Science Advances .
DOI:10.1126/sciadv.abd2711
El trabajo fue financiado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias y el Instituto Medioambiental de High Meadows en Princeton.
