W badaniach, które mogą ostatecznie pomóc uprawom przetrwać suszę, naukowcy z Uniwersytetu Princeton odkryli kluczowy powód, dla którego mieszanie materiału zwanego hydrożelami z glebą czasami rozczarowuje rolników.
Perełki hydrożelowe, maleńkie plastikowe kulki, które mogą wchłonąć w wodzie tysiąc razy większą wagę, wydają się idealnie pasować do pełnienia funkcji maleńkich podziemnych zbiorników wody. Teoretycznie, gdy gleba wysycha, hydrożele uwalniają wodę, aby nawodnić korzenie roślin, łagodząc w ten sposób susze, oszczędzając wodę i zwiększając plony.
Jednak mieszanie hydrożeli na polach rolników przyniosło nierówne rezultaty. Naukowcy mieli trudności z wyjaśnieniem tych nierównych wyników w dużej mierze dlatego, że gleba – będąc nieprzejrzysta – udaremniła próby obserwacji, analizy i ostatecznie poprawy zachowania hydrożeli.
W nowym badaniu naukowcy z Princeton zademonstrowali platformę eksperymentalną, która pozwala naukowcom badać ukryte działanie hydrożeli w glebie, a także w innych skompresowanych, zamkniętych środowiskach. Platforma opiera się na dwóch składnikach:przezroczystym ziarnistym podłożu — a mianowicie opakowaniu szklanych kulek — jako podstawce gleby oraz wodzie domieszkowanej związkiem chemicznym zwanym rodankiem amonu. Substancja chemiczna sprytnie zmienia sposób, w jaki woda ugina światło, niwelując zniekształcające efekty, jakie normalnie miałyby okrągłe szklane kulki. W rezultacie badacze mogą patrzeć prosto na kolorową kulę hydrożelu pośród sztucznej gleby.
„Specjalnością mojego laboratorium jest znajdowanie odpowiedniej substancji chemicznej w odpowiednich stężeniach, aby zmienić właściwości optyczne płynów” – powiedział Sujit Datta, adiunkt inżynierii chemicznej i biologicznej w Princeton i starszy autor badania opublikowanego w czasopiśmiePostępy naukowe 12 lutego 2021 r. „Ta funkcja umożliwia wizualizację 3D przepływów płynów i innych procesów zachodzących w normalnie niedostępnych, nieprzezroczystych mediach, takich jak gleba i skały”.
Naukowcy z Princeton wykorzystali kulki ze szkła borokrzemianowego jako substytut gleby, aby zbadać zachowanie hydrożeli działających jako zbiorniki wodne na polach uprawnych. Naukowcy zastosowali dodatek korygujący zniekształcenia z kulek, co pozwala na wyraźną obserwację hydrożelu. Zdjęcie:Datta et al/Princeton University. Źródło:Datta i in./Princeton University
Naukowcy wykorzystali konfigurację do wykazania, że ilość wody magazynowanej przez hydrożele jest kontrolowana przez równowagę między siłą przykładaną podczas pęcznienia hydrożelu a siłą otaczającej gleby. W rezultacie bardziej miękkie hydrożele wchłaniają duże ilości wody po zmieszaniu z powierzchniowymi warstwami gleby, ale nie działają tak dobrze w głębszych warstwach gleby, gdzie doświadczają większego nacisku. Zamiast tego hydrożele, które zostały zsyntetyzowane w taki sposób, aby miały więcej wewnętrznych wiązań poprzecznych, a co za tym idzie są sztywniejsze i mogą wywierać większą siłę na glebę, ponieważ absorbują wodę, byłyby bardziej skuteczne w głębszych warstwach. Datta powiedział, że kierując się tymi wynikami, inżynierowie będą teraz mogli przeprowadzić dalsze eksperymenty, aby dostosować chemię hydrożeli do konkretnych upraw i warunków glebowych.
„Nasze wyniki dostarczają wskazówek dotyczących projektowania hydrożeli, które mogą optymalnie absorbować wodę w zależności od gleby, w której mają być używane, potencjalnie pomagając zaspokoić rosnące zapotrzebowanie na żywność i wodę” – powiedział Datta.
Inspiracją do badań było to, że Datta dowiedziała się o ogromnej obietnicy hydrożeli w rolnictwie, ale w niektórych przypadkach również nie udało się jej spełnić. Dążąc do opracowania platformy do badania zachowania hydrożeli w glebie, Datta i współpracownicy zaczęli od sztucznej gleby z koralików ze szkła borokrzemianowego, powszechnie używanej do różnych badań biologicznych oraz, w życiu codziennym, do tworzenia biżuterii. Rozmiary perełek wahały się od jednego do trzech milimetrów średnicy, zgodnie z rozmiarami ziaren luźnej, nieubitej gleby.
Gdy badacze dodali wodny roztwór tiocyjanianu amonu, usunęli zniekształcenia spowodowane przez kulki ze szkła borokrzemianowego i zapewnili wyraźny widok hydrożelu. Źródło:Datta i in./Princeton University
Latem 2018 r. Datta wyznaczył Margaret O'Connell, wówczas studentce z Princeton, pracującej w jego laboratorium w ramach programu Princeton ReMatch+, do zidentyfikowania dodatków, które zmieniłyby współczynnik załamania wody, aby zrównoważyć zniekształcenia światła kulek, a jednocześnie umożliwiłyby skuteczną absorpcję hydrożelu woda. O'Connell alit na wodnym roztworze, w którym nieco ponad połowę jego masy stanowi tiocyjanian amonu.
Nancy Lu, absolwentka Princeton, i Jeremy Cho, później staż podoktorski w laboratorium Datty, a obecnie adiunkt na Uniwersytecie Nevada w Las Vegas, zbudowali wstępną wersję eksperymentalnej platformy. Umieścili kolorową kulkę hydrożelową, wykonaną z konwencjonalnego materiału hydrożelowego zwanego poliakryloamidem, pośród kulek i zebrali wstępne obserwacje.
Jean-Francois Louf, badacz podoktorancki w laboratorium Datta, skonstruował drugą, udoskonaloną wersję platformy i przeprowadził eksperymenty, których wyniki zostały przedstawione w badaniu. Ta ostateczna platforma zawierała obciążony tłok, który wytwarzał ciśnienie na szczycie kulek, symulując zakres ciśnień, jakie hydrożel może napotkać w glebie, w zależności od głębokości wszczepienia hydrożelu.
Podsumowując, wyniki wykazały wzajemne oddziaływanie hydrożeli i gleby na podstawie ich odpowiednich właściwości. Ramy teoretyczne opracowane przez zespół w celu uchwycenia tego zachowania pomogą w wyjaśnieniu mylących wyników terenowych zebranych przez innych badaczy, gdzie plony czasami ulegały poprawie, ale innym razem hydrożele wykazywały minimalne korzyści lub nawet pogarszały naturalne zagęszczenie gleby, zwiększając ryzyko erozji.
Ruben Juanes, profesor inżynierii lądowej i środowiskowej w Massachusetts Institute of Technology, który nie był zaangażowany w badanie, skomentował jego znaczenie. „Ta praca otwiera kuszące możliwości wykorzystania hydrożeli jako kondensatorów glebowych, które modulują dostępność wody i kontrolują uwalnianie wody do korzeni upraw, w sposób, który może zapewnić prawdziwy postęp technologiczny w zrównoważonym rolnictwie” – powiedział Juanes.
Inne zastosowania hydrożeli mogą zyskać dzięki pracy Datty i jego współpracowników. Przykładowe obszary obejmują odzyskiwanie oleju, filtrację i opracowywanie nowych rodzajów materiałów budowlanych, takich jak beton z dodatkiem hydrożeli, aby zapobiec nadmiernemu wysychaniu i pękaniu. Jednym ze szczególnie obiecujących obszarów jest biomedycyna, której zastosowania sięgają od dostarczania leków po gojenie ran i sztuczną inżynierię tkankową.
„Hydrożele to naprawdę fajny, wszechstronny materiał, z którym również przyjemnie się pracuje” – powiedział Datta. „Ale podczas gdy większość badań laboratoryjnych koncentruje się na nich w nieograniczonych warunkach, wiele zastosowań wiąże się z ich użyciem w ciasnych i zamkniętych przestrzeniach. Jesteśmy bardzo podekscytowani tą prostą eksperymentalną platformą, ponieważ pozwala nam zobaczyć to, czego inni ludzie nie mogli wcześniej zobaczyć”.
Odniesienie:„Pod ciśnieniem:pęcznienie hydrożelu w ośrodku ziarnistym” Jean-François Louf, Nancy B. Lu, Margaret G. O'Connell, H. Jeremy Cho i Sujit S. Datta, 12 lutego 2021, Science Advances .
DOI:10.1126/sciadv.abd2711
Prace były częściowo wspierane przez National Science Foundation i High Meadows Environmental Institute w Princeton.
