Nella ricerca che potrebbe aiutare le colture a sopravvivere alla siccità, gli scienziati dell'Università di Princeton hanno scoperto una ragione fondamentale per cui la miscelazione di materiali chiamati idrogel con il terreno si è talvolta rivelata deludente per gli agricoltori.
Le perle di idrogel, minuscole gocce di plastica che possono assorbire mille volte il loro peso in acqua, sembrano ideali per fungere da minuscoli serbatoi sotterranei d'acqua. In teoria, quando il terreno si asciuga, gli idrogel rilasciano acqua per idratare le radici delle piante, alleviando così la siccità, conservando l'acqua e aumentando i raccolti.
Eppure la miscelazione di idrogel nei campi degli agricoltori ha avuto risultati imprevedibili. Gli scienziati hanno faticato a spiegare queste prestazioni irregolari in gran parte perché il suolo, essendo opaco, ha ostacolato i tentativi di osservare, analizzare e, infine, migliorare i comportamenti dell'idrogel.
In un nuovo studio, i ricercatori di Princeton hanno dimostrato una piattaforma sperimentale che consente agli scienziati di studiare il funzionamento nascosto degli idrogel nel suolo, insieme ad altri ambienti compressi e confinati. La piattaforma si basa su due ingredienti:un mezzo granulare trasparente - vale a dire un imballaggio di perline di vetro - come sostituto del terreno e acqua drogata con una sostanza chimica chiamata tiocianato di ammonio. La sostanza chimica cambia abilmente il modo in cui l'acqua piega la luce, compensando gli effetti distorsivi che normalmente avrebbero le perle di vetro rotonde. Il risultato è che i ricercatori possono vedere direttamente un glob di idrogel colorato in mezzo al falso suolo.
"Una specialità del mio laboratorio è trovare la giusta sostanza chimica nelle giuste concentrazioni per modificare le proprietà ottiche dei fluidi", ha affermato Sujit Datta, assistente professore di ingegneria chimica e biologica a Princeton e autore senior dello studio apparso sulla rivista Progressi scientifici il 12 febbraio 2021. "Questa funzionalità consente la visualizzazione 3D dei flussi di fluidi e di altri processi che si verificano all'interno di supporti opachi normalmente inaccessibili, come suolo e rocce".
I ricercatori di Princeton hanno utilizzato perle di vetro borosilicato come sostituto del suolo per studiare il comportamento degli idrogel che agiscono come serbatoi d'acqua nei campi agricoli. I ricercatori hanno utilizzato un additivo per correggere la distorsione delle perline consentendo loro di osservare chiaramente l'idrogel. Foto di Datta et al/Princeton University. Credito:Datta et al/Princeton University
Gli scienziati hanno utilizzato la configurazione per dimostrare che la quantità di acqua immagazzinata dagli idrogel è controllata da un equilibrio tra la forza applicata quando l'idrogel si gonfia con l'acqua e la forza di confinamento del terreno circostante. Di conseguenza, gli idrogel più morbidi assorbono grandi quantità di acqua quando vengono mescolati negli strati superficiali del terreno, ma non funzionano altrettanto bene negli strati più profondi del terreno, dove subiscono una pressione maggiore. Invece, gli idrogel che sono stati sintetizzati per avere più reticolazioni interne e, di conseguenza, sono più rigidi e possono esercitare una forza maggiore sul terreno mentre assorbono l'acqua, sarebbero più efficaci negli strati più profondi. Datta ha affermato che, guidati da questi risultati, gli ingegneri saranno ora in grado di condurre ulteriori esperimenti per adattare la chimica degli idrogel a colture e condizioni del suolo specifiche.
"I nostri risultati forniscono linee guida per la progettazione di idrogel in grado di assorbire l'acqua in modo ottimale a seconda del terreno in cui devono essere utilizzati, contribuendo potenzialmente a soddisfare la crescente domanda di cibo e acqua", ha affermato Datta.
L'ispirazione per lo studio è venuta da Datta che ha appreso dell'immensa promessa degli idrogel in agricoltura ma anche del loro fallimento in alcuni casi. Cercando di sviluppare una piattaforma per studiare il comportamento dell'idrogel nei suoli, Datta e colleghi hanno iniziato con un falso suolo di perle di vetro borosilicato, comunemente usato per varie indagini bioscientifiche e, nella vita di tutti i giorni, per bigiotteria. Le dimensioni del tallone variavano da uno a tre millimetri di diametro, coerenti con le dimensioni dei grani del terreno sciolto e non imballato.
Quando i ricercatori hanno aggiunto una soluzione acquosa di tiocianato di ammonio, ha eliminato la distorsione causata dalle perle di vetro borosilicato e ha consentito una visione chiara dell'idrogel. Credito:Datta et al/Princeton University
Nell'estate 2018, Datta ha incaricato Margaret O'Connell, allora una studentessa universitaria di Princeton che lavorava nel suo laboratorio attraverso il programma ReMatch+ di Princeton, di identificare gli additivi che avrebbero cambiato l'indice di rifrazione dell'acqua per compensare la distorsione della luce delle perline, pur consentendo a un idrogel di assorbire efficacemente acqua. O'Connell si è concentrato su una soluzione acquosa con poco più della metà del suo peso fornito da tiocianato di ammonio.
Nancy Lu, una studentessa laureata a Princeton, e Jeremy Cho, allora post-dottorato nel laboratorio di Datta e ora assistente professore all'Università del Nevada, a Las Vegas, hanno costruito una versione preliminare della piattaforma sperimentale. Hanno posizionato una sfera di idrogel colorata, realizzata con un materiale idrogel convenzionale chiamato poliacrilammide, tra le perline e hanno raccolto alcune osservazioni iniziali.
Jean-Francois Louf, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Datta, ha quindi costruito una seconda versione perfezionata della piattaforma ed eseguito gli esperimenti i cui risultati sono stati riportati nello studio. Questa piattaforma finale includeva un pistone ponderato per generare pressione sulla parte superiore delle sfere, simulando una gamma di pressioni che un idrogel incontrerebbe nel terreno, a seconda della profondità dell'impianto dell'idrogel.
Nel complesso, i risultati hanno mostrato l'interazione tra idrogel e suoli, in base alle rispettive proprietà. Un quadro teorico sviluppato dal team per catturare questo comportamento aiuterà a spiegare i risultati confondenti sul campo raccolti da altri ricercatori, dove a volte i raccolti sono migliorati, ma altre volte gli idrogel hanno mostrato benefici minimi o addirittura hanno degradato la compattazione naturale del suolo, aumentando il rischio di erosione.
Ruben Juanes, professore di ingegneria civile e ambientale presso il Massachusetts Institute of Technology che non è stato coinvolto nello studio, ha offerto commenti sul suo significato. "Questo lavoro apre allettanti opportunità per l'uso di idrogel come condensatori del suolo che modulano la disponibilità di acqua e controllano il rilascio di acqua alle radici delle colture, in un modo che potrebbe fornire un vero progresso tecnologico nell'agricoltura sostenibile", ha affermato Juanes.
Altre applicazioni degli idrogel trarranno vantaggio dal lavoro di Datta e dei suoi colleghi. Le aree di esempio includono il recupero dell'olio, la filtrazione e lo sviluppo di nuovi tipi di materiali da costruzione, come il calcestruzzo infuso con idrogel per prevenire l'essiccazione e la fessurazione eccessive. Un'area particolarmente promettente è la biomedicina, con applicazioni che vanno dalla somministrazione di farmaci alla guarigione delle ferite e all'ingegneria dei tessuti artificiali.
"Gli idrogel sono un materiale davvero interessante e versatile con cui è anche divertente lavorare", ha affermato Datta. “Ma mentre la maggior parte degli studi di laboratorio si concentra su di essi in ambienti non confinati, molte applicazioni prevedono il loro utilizzo in spazi ristretti e ristretti. Siamo molto entusiasti di questa semplice piattaforma sperimentale perché ci consente di vedere ciò che le altre persone non potevano vedere prima".
Riferimento:"Under pressure:Hydrogel gonfiore in un mezzo granulare" di Jean-François Louf, Nancy B. Lu, Margaret G. O'Connell, H. Jeremy Cho e Sujit S. Datta, 12 febbraio 2021, Science Advances .
DOI:10.1126/sciadv.abd2711
Il lavoro è stato sostenuto in parte dalla National Science Foundation e dall'High Meadows Environmental Institute di Princeton.
