I forskning som så småningom kan hjälpa grödor att överleva torka, har forskare vid Princeton University upptäckt en viktig orsak till att blandning av material som kallas hydrogeler med jord ibland har visat sig vara en besvikelse för bönder.
Hydrogelpärlor, små plastklumpar som kan absorbera tusen gånger sin vikt i vatten, verkar idealiska för att fungera som små underjordiska vattenreservoarer. I teorin, när jorden torkar, släpper hydrogeler ut vatten för att återfukta växternas rötter, vilket lindrar torka, sparar vatten och ökar skördarna.
Men att blanda hydrogeler i jordbrukarnas åkrar har haft fläckiga resultat. Forskare har kämpat för att förklara dessa ojämna prestanda till stor del eftersom marken – eftersom den är ogenomskinlig – har hindrat försök att observera, analysera och i slutändan förbättra hydrogelbeteenden.
I en ny studie visade Princeton-forskarna en experimentell plattform som gör det möjligt för forskare att studera hydrogelernas dolda funktion i jordar, tillsammans med andra komprimerade, begränsade miljöer. Plattformen förlitar sig på två ingredienser:ett genomskinligt granulärt medium - nämligen en förpackning av glaspärlor - som jordbeståndsdel, och vatten dopat med en kemikalie som kallas ammoniumtiocyanat. Kemikalien ändrar på ett skickligt sätt hur vattnet böjer ljuset, och kompenserar för de snedvridande effekter som de runda glaspärlorna vanligtvis skulle ha. Resultatet är att forskare kan se rakt igenom till en färgad hydrogelkula mitt i den falska jorden.
"En specialitet i mitt labb är att hitta rätt kemikalie i rätt koncentrationer för att ändra vätskors optiska egenskaper", säger Sujit Datta, biträdande professor i kemi- och biologisk teknik vid Princeton och seniorförfattare till studien som visas i tidskriften Vetenskapens framsteg den 12 februari 2021. "Denna förmåga möjliggör 3D-visualisering av vätskeflöden och andra processer som sker i normalt otillgängliga, ogenomskinliga medier, såsom jord och stenar."
Princeton-forskare använde borosilikatglaspärlor som ett substitut för jord för att studera beteendet hos hydrogeler som fungerar som vattenreservoarer på jordbruksfält. Forskarna använde en tillsats för att korrigera för distorsion från pärlorna så att de tydligt kunde observera hydrogelen. Foto av Datta et al/Princeton University. Kredit:Datta et al/Princeton University
Forskarna använde upplägget för att visa att mängden vatten som lagras av hydrogeler styrs av en balans mellan kraften som appliceras när hydrogelen sväller med vatten och den begränsande kraften i den omgivande jorden. Som ett resultat absorberar mjukare hydrogeler stora mängder vatten när de blandas i ytskikt av jord, men fungerar inte lika bra i djupare lager av jord, där de upplever ett större tryck. Istället skulle hydrogeler som har syntetiserats för att ha fler inre tvärbindningar, och som ett resultat är styvare och kan utöva en större kraft på jorden när de absorberar vatten, vara mer effektiva i djupare lager. Datta sa att, vägledd av dessa resultat, kommer ingenjörer nu att kunna genomföra ytterligare experiment för att skräddarsy hydrogelernas kemi för specifika grödor och markförhållanden.
"Våra resultat ger riktlinjer för att designa hydrogeler som optimalt kan absorbera vatten beroende på jorden de är avsedda att användas i, vilket kan bidra till att möta växande efterfrågan på mat och vatten", säger Datta.
Inspirationen till studien kom från Datta som lärde sig om det enorma löftet med hydrogeler inom jordbruket men också att de i vissa fall misslyckades med att uppfylla det. I ett försök att utveckla en plattform för att undersöka hydrogelbeteende i jord, började Datta och kollegor med en falsk jord av borosilikatglaspärlor, som vanligtvis används för olika biovetenskapliga undersökningar och, i vardagen, kostymsmycken. Pärlstorlekarna varierade från en till tre millimeter i diameter, vilket överensstämmer med kornstorlekarna på lös, uppackad jord.
När forskare tillsatte en vattenhaltig lösning av ammoniumtiocyanat, rensade det förvrängningen som orsakades av borosilikatglaspärlorna och tillät en klar sikt av hydrogelen. Kredit:Datta et al/Princeton University
Sommaren 2018 gav Datta Margaret O'Connell, då en Princeton-student som arbetade i sitt labb genom Princetons ReMatch+-program, för att identifiera tillsatser som skulle ändra vattnets brytningsindex för att kompensera för pärlornas ljusförvrängning, men ändå tillåta en hydrogel att effektivt absorbera vatten. O'Connell tog en vattenlösning med lite över hälften av sin vikt tillfört av ammoniumtiocyanat.
Nancy Lu, doktorand vid Princeton, och Jeremy Cho, då postdoc i Dattas labb och nu biträdande professor vid University of Nevada, Las Vegas, byggde en preliminär version av den experimentella plattformen. De placerade en färgad hydrogelsfär, gjord av ett konventionellt hydrogelmaterial som kallas polyakrylamid, mitt bland pärlorna och samlade in några första observationer.
Jean-Francois Louf, en postdoktor i Dattas labb, konstruerade sedan en andra, finslipad version av plattformen och utförde experimenten vars resultat rapporterades i studien. Denna slutliga plattform inkluderade en viktad kolv för att generera tryck ovanpå pärlorna, som simulerar ett antal tryck som en hydrogel skulle stöta på i jorden, beroende på hur djupt hydrogelen är implanterad.
Sammantaget visade resultaten samspelet mellan hydrogeler och jordar, baserat på deras respektive egenskaper. En teoretisk ram som teamet utvecklat för att fånga detta beteende kommer att hjälpa till att förklara de förvirrande fältresultaten som samlats in av andra forskare, där skörden ibland förbättrades, men andra gånger visade hydrogeler minimala fördelar eller till och med försämrade jordens naturliga packning, vilket ökade risken för erosion.
Ruben Juanes, professor i civil- och miljöteknik vid Massachusetts Institute of Technology som inte var involverad i studien, erbjöd kommentarer om dess betydelse. "Detta arbete öppnar lockande möjligheter för användningen av hydrogeler som jordkondensatorer som modulerar vattentillgången och kontrollerar vattenutsläpp till grödans rötter, på ett sätt som skulle kunna ge ett verkligt tekniskt framsteg inom hållbart jordbruk", sa Juanes.
Andra tillämpningar av hydrogeler kommer att vinna på Datta och hans kollegors arbete. Exempel på områden inkluderar oljeutvinning, filtrering och utveckling av nya typer av byggmaterial, såsom betong infunderad med hydrogeler för att förhindra överdriven uttorkning och sprickbildning. Ett särskilt lovande område är biomedicin, med tillämpningar som sträcker sig från läkemedelsleverans till sårläkning och konstgjord vävnadsteknik.
"Hydrogeler är ett riktigt coolt, mångsidigt material som också råkar vara roligt att arbeta med," sa Datta. "Men medan de flesta labbstudier fokuserar på dem i oavgränsade miljöer, involverar många tillämpningar att de används i trånga och trånga utrymmen. Vi är väldigt glada över denna enkla experimentella plattform eftersom den tillåter oss att se vad andra inte kunde se tidigare.”
Referens:"Under press:Hydrogel swelling in a granular medium" av Jean-François Louf, Nancy B. Lu, Margaret G. O'Connell, H. Jeremy Cho och Sujit S. Datta, 12 februari 2021, Science Advances .
DOI:10.1126/sciadv.abd2711
Arbetet stöddes delvis av National Science Foundation och High Meadows Environmental Institute i Princeton.
