„Priviți în jurul lumii” pentru a studia activitatea ascunsă a hidrogelurilor ar putea ajuta fermierii să facă față viitoarelor secete

În cercetările care ar putea ajuta în cele din urmă culturile să supraviețuiască secetei, oamenii de știință din Universitatea Princeton au descoperit un motiv major că amestecarea unui material numit hidrogel cu sol s-a dovedit uneori frustrant pentru fermieri.

Mărgelele de hidrogel, mici blocuri de plastic care pot absorbi de o mie de ori greutatea lor în apă, arată ideal pentru a servi drept mici rezervoare de apă subterane. În teorie, pe măsură ce solul se usucă, hidrogelurile eliberează apă pentru a hidrata rădăcinile plantelor, ameliorând astfel seceta, conservând apa și crescând randamentele culturilor.

Cu toate acestea, amestecarea hidrogelurilor în câmpurile fermierilor a avut rezultate contaminate. Oamenii de știință s-au străduit să explice aceste afișări inegale în mare parte, deoarece Pământul – fiind întunecat – a zădărnicit eforturile de a observa, analiza și în cele din urmă îmbunătățirea comportamentelor de hidrogel.

Într-un nou studiu, cercetătorii de la Princeton au demonstrat o platformă experimentală care permite oamenilor de știință să studieze funcționarea ascunsă a hidrogelurilor de pe sol, împreună cu alte medii comprimate și închise. Platforma se bazează pe două componente: un mediu granular transparent – adică un pachet de margele de sticlă – ca un sol stabil și apă dopată cu o substanță chimică numită tiocianat de amoniu. Produsul chimic modifică inteligent modul în care apa îndoaie lumina, compensând efectele distorsionante pe care le-ar avea în mod normal mărgelele rotunde de sticlă. Rezultatul este că cercetătorii se pot uita direct la un glob de culoare hidrogel în mijlocul unui sol fals.

„O specialitate a laboratorului meu este găsirea substanțelor chimice potrivite la concentrațiile potrivite pentru a modifica proprietățile optice ale lichidelor”, a spus Sujit Datta, profesor asistent de inginerie chimică și biologică la Princeton și autor principal al studiului care apare în jurnal. Progrese în știință pe 12 februarie 2021. „Această capacitate permite vizualizarea 3D a fluxurilor de fluide și a altor procese care au loc în medii opace inaccesibile în mod normal, cum ar fi terenurile și rocile”.

Vedere clară a hidrogelului

Cercetătorii de la Princeton au folosit margele de sticlă borosilicată ca înlocuitor al solului pentru a studia comportamentul hidrogelurilor care acționează ca rezervoare de apă în câmpurile fermei. Cercetătorii au folosit un aditiv pentru a corecta distorsiunea de la margele, permițându-le să observe în mod clar hidrogelul. Fotografie de Datta et al / Universitatea Princeton. Credit: Datta et al / Universitatea Princeton

Oamenii de știință au folosit configurația pentru a demonstra că cantitatea de apă stocată de hidrogeluri este controlată de un echilibru între forța aplicată pe măsură ce hidrogelul se umflă cu apă și forța limitativă a solului din jur. Ca rezultat, hidrogelurile mai moi absorb cantități mari de apă atunci când sunt amestecate în straturile de suprafață ale solului, dar nu funcționează atât de bine în straturile mai adânci ale solului, unde au o presiune mai mare. În schimb, hidrogelurile care au fost sintetizate au mai multe legături interne și, prin urmare, sunt mai rigide și pot exercita o forță mai mare pe sol, deoarece absorb apa, ar fi mai eficiente în straturile mai adânci. Datta a spus că, ghidați de aceste rezultate, inginerii vor putea acum să efectueze experimente suplimentare pentru a adapta chimia hidrogelului la culturi specifice și condițiile solului.

“Rezultatele noastre oferă linii directoare pentru proiectarea hidrogelurilor care pot absorbi în mod optim apa în funcție de solul în care sunt destinate a fi utilizate, contribuind potențial la soluționarea cererii tot mai mari de alimente și apă”, a spus Datta.

Inspirația pentru studiu a venit de la învățarea Datta despre marea promisiune a hidrogelurilor în agricultură, dar și eșecul lor de a o îndeplini în mai multe rânduri. În căutarea dezvoltării unei platforme de investigare a comportamentului hidrogelului pe pământ, Datta și colegii săi au început cu un sol fals de mărgele de sticlă borosilicată, utilizat în mod obișnuit pentru diverse investigații în domeniul științei biologice și, în viața de zi cu zi, pentru bijuteriile de costume. Dimensiunile mărgelelor variau de la unu la trei milimetri în diametru, în funcție de mărimile boabelor de sol libere și ambalate.


Când cercetătorii au adăugat o soluție apoasă de tiocianat de amoniu, aceasta a eliminat distorsiunea cauzată de margele de sticlă borosilicată și a permis o vedere clară a hidrogelului. Credit: Datta et al / Universitatea Princeton

În vara anului 2018, Datta a numit-o pe Margaret O’Connell, pe atunci studentă universitară la Princeton, care lucra în laboratorul său prin programul ReMatch + Princeton, pentru a identifica aditivi care ar schimba indicele de refracție a apei pentru a compensa distorsiunea. permiteți unui hidrogel să absoarbă efectiv apa O’Connell alită o soluție apoasă cu puțin peste jumătate din greutatea sa contribuită de tiocianați de amoniu.

Nancy Lu, absolventă la Princeton, și Jeremy Cho, apoi postdoctor la Datta Labs și acum profesor asistent la Universitatea din Nevada, Las Vegas, au construit o versiune preliminară a platformei experimentale. Au plasat o sferă colorată de hidrogel, realizată dintr-un material convențional hidrogel numit poliacrilamidă, între margele și au colectat câteva observații inițiale.

Jean-Francois Louf, cercetător postdoctoral la laboratorul Datta, a construit apoi o a doua versiune perfectă a platformei și a efectuat experimentele, ale căror rezultate au fost raportate în studiu. Această platformă finală a inclus un piston ponderat pentru a genera presiune în partea de sus a margelelor, simulând o gamă de presiuni pe care un hidrogel le-ar putea întâlni pe sol, în funcție de adâncimea hidrogelului implantat.

În general, rezultatele au arătat interacțiunea dintre hidrogeluri și soluri, pe baza proprietăților lor respective. Un cadru teoretic pe care echipa l-a dezvoltat pentru a surprinde acest comportament va ajuta la explicarea rezultatelor derutante ale câmpului colectate de alți cercetători, unde uneori randamentele recoltei s-au îmbunătățit, dar alteori hidrogelurile au prezentat beneficii minime sau chiar compactarea solului natural degradat, crescând riscul de eroziune.

Ruben Juanes, profesor de inginerie civilă și de mediu la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, care nu a fost implicat în studiu, a oferit comentarii cu privire la semnificația acestuia. „Această lucrare deschide oportunități tentante pentru utilizarea hidrogelurilor ca condensatoare solului care modulează disponibilitatea apei și controlează eliberarea apei la rădăcinile culturilor, într-un mod care poate asigura un progres tehnologic real în agricultura durabilă”, a spus Juanes.

Alte aplicații de hidrogel pot beneficia de munca lui Datta și a colegilor săi. Exemple de domenii includ recuperarea uleiului, filtrarea și dezvoltarea de noi tipuri de materiale de construcție, cum ar fi betonul umplut cu hidrogel pentru a preveni uscarea și crăparea excesivă. Un domeniu deosebit de promițător este biomedicina, cu aplicații variind de la livrarea medicamentelor la vindecarea rănilor și ingineria țesuturilor artificiale.

“Hidrogelurile sunt un material cu adevărat proaspăt și versatil, care, de asemenea, se întâmplă să fie distractiv de lucrat”, a spus Datta. „Dar, în timp ce majoritatea studiilor de laborator se concentrează asupra lor în medii nelimitate, multe aplicații implică utilizarea lor în spații restrânse și restrânse. Suntem foarte încântați de această platformă experimentală simplă, deoarece ne permite să vedem ceea ce alți oameni nu puteau vedea înainte. “

Referință: 12 februarie 2021, Progrese în știință.

Lucrarea a fost susținută parțial de National Science Foundation și High Meadows Environmental Institute din Princeton.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Materialul nou poate proteja mai bine soldații, sportivii și șoferii de șoc, impact și explozii

Soldații, sportivii și șoferii pot face viața mai sigură datorită unui nou proces care ar putea duce la o protecție mai eficientă și reutilizabilă...

Se preconizează că speciile non-native vor crește cu 36% în întreaga lume până în 2050

Gâscă egipteană (Alopochen aegyptiaca) originară din Africa și stabilită acum în Europa Centrală și de Vest. Credit: profesorul Tim Blackburn, UCL Se preconizează că...

Visele noastre pot fi ciudate

Această ilustrație reflectă supra-ipoteza creierului, care susține că calitatea redusă și halucinantă a viselor nu este o greșeală, ci o trăsătură particulară, deoarece ajută...

Experimentele cu raze X și inovația de învățare automată pot tăia bateriile de cercetare și dezvoltare

Inginerul personal Bruis van Vlijmen a fost văzut lucrând în interiorul Laboratorului de Calculatoare Baterie 1070 de la Centrul de Științe Arrillaga, Bldg. ...

Newsletter

Subscribe to stay updated.