Dans le cadre de recherches susceptibles d'aider les cultures à survivre à la sécheresse, des scientifiques de l'Université de Princeton ont découvert une raison essentielle pour laquelle le mélange de matériaux appelés hydrogels avec de la terre s'est parfois avéré décevant pour les agriculteurs.
Les billes d'hydrogel, de minuscules gouttes de plastique pouvant absorber mille fois leur poids en eau, semblent parfaitement adaptées pour servir de minuscules réservoirs d'eau souterrains. En théorie, à mesure que le sol sèche, les hydrogels libèrent de l'eau pour hydrater les racines des plantes, atténuant ainsi les sécheresses, conservant l'eau et augmentant les rendements des cultures.
Pourtant, le mélange d'hydrogels dans les champs des agriculteurs a eu des résultats inégaux. Les scientifiques ont eu du mal à expliquer ces performances inégales en grande partie parce que le sol - étant opaque - a contrecarré les tentatives d'observation, d'analyse et finalement d'amélioration des comportements de l'hydrogel.
Dans une nouvelle étude, les chercheurs de Princeton ont démontré une plate-forme expérimentale qui permet aux scientifiques d'étudier le fonctionnement caché des hydrogels dans les sols, ainsi que d'autres environnements comprimés et confinés. La plate-forme repose sur deux ingrédients :un milieu granulaire transparent - à savoir un emballage de billes de verre - comme substitut du sol et de l'eau dopée avec un produit chimique appelé thiocyanate d'ammonium. Le produit chimique modifie intelligemment la façon dont l'eau plie la lumière, compensant les effets de distorsion que les billes de verre rondes auraient normalement. Le résultat est que les chercheurs peuvent voir directement un globe d'hydrogel coloré au milieu du faux sol.
"Une spécialité de mon laboratoire est de trouver le bon produit chimique dans les bonnes concentrations pour modifier les propriétés optiques des fluides", a déclaré Sujit Datta, professeur adjoint de génie chimique et biologique à Princeton et auteur principal de l'étude publiée dans la revue Progrès scientifiques le 12 février 2021. "Cette capacité permet la visualisation en 3D des écoulements de fluides et d'autres processus qui se produisent dans des milieux opaques normalement inaccessibles, tels que le sol et les roches."
Les chercheurs de Princeton ont utilisé des billes de verre borosilicate comme substitut du sol pour étudier le comportement des hydrogels agissant comme réservoirs d'eau dans les champs agricoles. Les chercheurs ont utilisé un additif pour corriger la distorsion des perles leur permettant d'observer clairement l'hydrogel. Photo de Datta et al/Université de Princeton. Crédit :Datta et al/Université de Princeton
Les scientifiques ont utilisé la configuration pour démontrer que la quantité d'eau stockée par les hydrogels est contrôlée par un équilibre entre la force appliquée lorsque l'hydrogel gonfle avec l'eau et la force de confinement du sol environnant. En conséquence, les hydrogels plus mous absorbent de grandes quantités d'eau lorsqu'ils sont mélangés dans les couches superficielles du sol, mais ne fonctionnent pas aussi bien dans les couches plus profondes du sol, où ils subissent une pression plus importante. Au lieu de cela, les hydrogels qui ont été synthétisés pour avoir plus de réticulations internes, et par conséquent sont plus rigides et peuvent exercer une force plus importante sur le sol lorsqu'ils absorbent l'eau, seraient plus efficaces dans les couches plus profondes. Datta a déclaré que, guidés par ces résultats, les ingénieurs pourront désormais mener d'autres expériences pour adapter la chimie des hydrogels à des cultures et des conditions de sol spécifiques.
"Nos résultats fournissent des lignes directrices pour la conception d'hydrogels capables d'absorber l'eau de manière optimale en fonction du sol dans lequel ils sont destinés à être utilisés, ce qui pourrait aider à répondre à la demande croissante en nourriture et en eau", a déclaré Datta.
L'inspiration pour l'étude est venue de Datta apprenant l'immense promesse des hydrogels dans l'agriculture mais aussi leur incapacité à y répondre dans certains cas. Cherchant à développer une plate-forme pour étudier le comportement de l'hydrogel dans les sols, Datta et ses collègues ont commencé avec un faux sol de perles de verre borosilicaté, couramment utilisé pour diverses recherches en biosciences et, dans la vie quotidienne, des bijoux de fantaisie. La taille des perles variait de un à trois millimètres de diamètre, ce qui correspond à la taille des grains d'un sol meuble et non tassé.
Lorsque les chercheurs ont ajouté une solution aqueuse de thiocyanate d'ammonium, cela a éliminé la distorsion causée par les billes de verre borosilicaté et a permis une vision claire de l'hydrogel. Crédit :Datta et al/Université de Princeton
À l'été 2018, Datta a chargé Margaret O'Connell, alors étudiante de premier cycle à Princeton travaillant dans son laboratoire dans le cadre du programme ReMatch+ de Princeton, d'identifier les additifs qui modifieraient l'indice de réfraction de l'eau pour compenser la distorsion de la lumière des billes, tout en permettant à un hydrogel d'absorber efficacement l'eau. O'Connell s'est posé sur une solution aqueuse avec un peu plus de la moitié de son poids apporté par du thiocyanate d'ammonium.
Nancy Lu, étudiante diplômée à Princeton, et Jeremy Cho, alors postdoctorant dans le laboratoire de Datta et maintenant professeur adjoint à l'Université du Nevada à Las Vegas, ont construit une version préliminaire de la plateforme expérimentale. Ils ont placé une sphère d'hydrogel colorée, fabriquée à partir d'un matériau hydrogel conventionnel appelé polyacrylamide, au milieu des perles et ont recueilli quelques observations initiales.
Jean-François Louf, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Datta, a ensuite construit une deuxième version perfectionnée de la plate-forme et réalisé les expériences dont les résultats ont été rapportés dans l'étude. Cette plate-forme finale comprenait un piston lesté pour générer une pression au-dessus des billes, simulant une gamme de pressions qu'un hydrogel rencontrerait dans le sol, en fonction de la profondeur d'implantation de l'hydrogel.
Dans l'ensemble, les résultats ont montré l'interaction entre les hydrogels et les sols, en fonction de leurs propriétés respectives. Un cadre théorique que l'équipe a développé pour capturer ce comportement aidera à expliquer les résultats de terrain confondants recueillis par d'autres chercheurs, où parfois les rendements des cultures se sont améliorés, mais d'autres fois, les hydrogels ont montré des avantages minimes ou même dégradé le compactage naturel du sol, augmentant le risque d'érosion.
Ruben Juanes, professeur de génie civil et environnemental au Massachusetts Institute of Technology qui n'a pas participé à l'étude, a commenté son importance. "Ce travail ouvre des opportunités alléchantes pour l'utilisation des hydrogels en tant que condensateurs du sol qui modulent la disponibilité de l'eau et contrôlent la libération de l'eau aux racines des cultures, d'une manière qui pourrait fournir une véritable avancée technologique dans l'agriculture durable", a déclaré Juanes.
D'autres applications des hydrogels ont tout à gagner du travail de Datta et de ses collègues. Les exemples de domaines incluent la récupération du pétrole, la filtration et le développement de nouveaux types de matériaux de construction, tels que le béton infusé d'hydrogels pour éviter un dessèchement et une fissuration excessifs. La biomédecine est un domaine particulièrement prometteur, avec des applications allant de l'administration de médicaments à la cicatrisation des plaies et à l'ingénierie des tissus artificiels.
"Les hydrogels sont un matériau vraiment cool et polyvalent avec lequel il est également amusant de travailler", a déclaré Datta. «Mais alors que la plupart des études en laboratoire se concentrent sur eux dans des environnements non confinés, de nombreuses applications impliquent leur utilisation dans des espaces restreints et confinés. Nous sommes très enthousiastes à propos de cette plate-forme expérimentale simple, car elle nous permet de voir ce que les autres ne pouvaient pas voir auparavant."
Référence :"Sous pression :gonflement d'hydrogel dans un milieu granulaire" par Jean-François Louf, Nancy B. Lu, Margaret G. O'Connell, H. Jeremy Cho et Sujit S. Datta, 12 février 2021, Science Advances .
DOI :10.1126/sciadv.abd2711
Le travail a été soutenu en partie par la National Science Foundation et le High Meadows Environmental Institute à Princeton.
