Se gennem jord kan hjælpe landmændene med at håndtere fremtidige tørkeperioder

I forskning, der i sidste ende kan hjælpe afgrøder med at overleve tørke, forskere ved Princeton University har afsløret en nøgleårsag til, at blanding af materiale kaldet hydrogeler med jord nogle gange har vist sig at være skuffende for landmænd.

Hydrogel perler, små plastikklatter, der kan absorbere tusind gange deres vægt i vand, synes ideelt egnet til at tjene som små underjordiske reservoirer af vand. I teorien, efterhånden som jorden tørrer, hydrogeler frigiver vand for at hydrere planternes rødder, dermed lindre tørke, spare på vandet, og øge afgrødeudbyttet.

Alligevel har blanding af hydrogeler i landmændenes marker haft plettede resultater. Forskere har kæmpet for at forklare disse ujævne præstationer, for en stor del, fordi jorden - der er uigennemsigtig - har forpurret forsøg på at observere, analysere, og i sidste ende forbedre hydrogeladfærd.

I en ny undersøgelse, Princeton-forskerne demonstrerede en eksperimentel platform, der gør det muligt for forskere at studere hydrogelernes skjulte virkemåde i jord, sammen med andre komprimerede, afgrænsede miljøer. Platformen er afhængig af to ingredienser:et gennemsigtigt granulært medium - nemlig en pakning af glasperler - som jord-stand-in, og vand doteret med et kemikalie kaldet ammoniumthiocyanat. Kemikaliet ændrer smart måden vandet bøjer lys på, opvejer de forvrængende effekter, de runde glasperler normalt ville have. Resultatet er, at forskerne kan se lige igennem til en farvet hydrogelkugle midt i den falske jord.

"Et speciale i mit laboratorium er at finde det rigtige kemikalie i de rigtige koncentrationer for at ændre væskers optiske egenskaber, " sagde Sujit Datta, en assisterende professor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab ved Princeton og seniorforfatter af undersøgelsen, der vises i tidsskriftet Videnskabens fremskridt den 12. februar "Denne funktion muliggør 3D-visualisering af væskestrømme og andre processer, der forekommer inden for normalt utilgængelige, uigennemsigtige medier, såsom jord og sten."

Forskerne brugte opsætningen til at demonstrere, at mængden af ​​vand, der opbevares af hydrogeler, styres af en balance mellem den kraft, der påføres, når hydrogelen svulmer med vand, og den begrænsende kraft af den omgivende jord. Som resultat, blødere hydrogeler absorberer store mængder vand, når de blandes i overfladelag af jord, men fungerer ikke så godt i dybere jordlag, hvor de oplever et større pres. I stedet, hydrogeler, der er blevet syntetiseret til at have flere interne tværbindinger, og som et resultat er stivere og kan udøve en større kraft på jorden, når de absorberer vand, ville være mere effektiv i dybere lag. Datta sagde, at styret af disse resultater, ingeniører vil nu være i stand til at udføre yderligere eksperimenter for at skræddersy kemien af ​​hydrogeler til specifikke afgrøder og jordbundsforhold.

"Vores resultater giver retningslinjer for at designe hydrogeler, der optimalt kan absorbere vand afhængigt af den jord, de er beregnet til at blive brugt i, potentielt bidrage til at imødekomme stigende efterspørgsel efter mad og vand, " sagde Datta.

Inspirationen til undersøgelsen kom fra Datta, der lærte om det enorme løfte om hydrogeler i landbruget, men også deres manglende opfyldelse af det i nogle tilfælde. Søger at udvikle en platform til at undersøge hydrogeladfærd i jord, Datta og kolleger startede med en imiteret jord af borosilikatglasperler, almindeligvis brugt til forskellige biovidenskabelige undersøgelser og, i hverdagen, kostume smykker. Perlestørrelserne varierede fra en til tre millimeter i diameter, i overensstemmelse med kornstørrelserne af løs, udpakket jord.

I sommeren 2018, Datta tildelte Margaret O'Connell, derefter en Princeton studerende, der arbejder i sit laboratorium gennem Princetons ReMatch+ program, at identificere tilsætningsstoffer, der ville ændre vands brydningsindeks for at udligne perlernes lysforvrængning, lad alligevel en hydrogel effektivt absorbere vand. O'Connell valgte en vandig opløsning med lidt over halvdelen af ​​dens vægt bidraget af ammoniumthiocyanat.

Nancy Lu, en kandidatstuderende ved Princeton, og Jeremy Cho, dengang postdoc i Dattas laboratorium og nu adjunkt ved University of Nevada, Las Vegas, bygget en foreløbig version af den eksperimentelle platform. De placerede en farvet hydrogelkugle, lavet af et konventionelt hydrogelmateriale kaldet polyacrylamid, midt i perlerne og samlet nogle indledende observationer.

Jean-Francois Louf, en postdoktor i Dattas laboratorium, så konstruerede en anden, finpudset version af platformen og udført de eksperimenter, hvis resultater blev rapporteret i undersøgelsen. Denne endelige platform inkluderede et vægtet stempel til at generere tryk på toppen af ​​perlerne, simulering af en række tryk, som en hydrogel ville støde på i jorden, afhængigt af hvor dybt hydrogelen er implanteret.

Samlet set, resultaterne viste samspillet mellem hydrogeler og jord, baseret på deres respektive egenskaber. En teoretisk ramme, som holdet udviklede til at fange denne adfærd, vil hjælpe med at forklare de forvirrende feltresultater indsamlet af andre forskere, hvor afgrødeudbyttet nogle gange blev forbedret, men andre gange viste hydrogeler minimale fordele eller forringede endda jordens naturlige komprimering, øger risikoen for erosion.

Ruben Juanes, en professor i civil- og miljøteknik ved Massachusetts Institute of Technology, der ikke var involveret i undersøgelsen, fremsat kommentarer til dens betydning. "Dette arbejde åbner op for fristende muligheder for brugen af ​​hydrogeler som jordkondensatorer, der modulerer vandtilgængeligheden og kontrollerer vandfrigivelsen til afgrødens rødder, på en måde, der kunne give et sandt teknologisk fremskridt inden for bæredygtigt landbrug, sagde Juanes.

Andre anvendelser af hydrogeler kan vinde ved Datta og hans kollegers arbejde. Eksempler på områder omfatter olieindvinding, filtrering, og udvikling af nye slags byggematerialer, såsom beton infunderet med hydrogeler for at forhindre overdreven udtørring og revner. Et særligt lovende område er biomedicin, med applikationer lige fra lægemiddellevering til sårheling og kunstig vævsteknologi.

"Hydrogels er en rigtig cool, alsidigt materiale, der også tilfældigvis er sjovt at arbejde med, " sagde Datta. "Men mens de fleste laboratorieundersøgelser fokuserer på dem i ubegrænsede omgivelser, mange applikationer involverer deres anvendelse i trange og trange rum. Vi er meget begejstrede for denne enkle eksperimentelle platform, fordi den giver os mulighed for at se, hvad andre mennesker ikke kunne se før."