In onderzoek dat gewassen uiteindelijk kan helpen droogte te overleven, wetenschappers van Princeton University hebben een belangrijke reden ontdekt waarom het mengen van materiaal, hydrogels genaamd, met aarde soms teleurstellend is gebleken voor boeren.

Hydrogel kralen, kleine plastic klodders die duizend keer hun gewicht aan water kunnen absorberen, lijken bij uitstek geschikt om te dienen als kleine ondergrondse waterreservoirs. In theorie, als de grond droogt, hydrogels geven water af om de wortels van planten te hydrateren, waardoor droogtes worden verlicht, water besparen, en het verhogen van de gewasopbrengsten.

Maar het mengen van hydrogels in de velden van boeren heeft vlekkerige resultaten opgeleverd. Wetenschappers hebben geworsteld om deze ongelijke prestaties grotendeels te verklaren omdat de bodem, die ondoorzichtig is, pogingen heeft verijdeld om te observeren, analyseren, en uiteindelijk het verbeteren van het hydrogelgedrag.

In een nieuwe studie, de Princeton-onderzoekers demonstreerden een experimenteel platform waarmee wetenschappers de verborgen werking van de hydrogels in de bodem kunnen bestuderen, samen met andere gecomprimeerde, besloten omgevingen. Het platform is gebaseerd op twee ingrediënten:een transparant korrelig medium - namelijk een pakking van glasparels - als grondvervanger, en water gedoteerd met een chemische stof genaamd ammoniumthiocyanaat. De chemische stof verandert op slimme wijze de manier waarop het water licht afbuigt, het compenseren van de vervormende effecten die de ronde glaskralen normaal gesproken zouden hebben. Het resultaat is dat onderzoekers dwars door een gekleurde hydrogelbol te midden van de nepgrond kunnen kijken.

"Een specialiteit van mijn laboratorium is het vinden van de juiste chemische stof in de juiste concentraties om de optische eigenschappen van vloeistoffen te veranderen, " zei Sujit Datta, een assistent-professor chemische en biologische technologie aan Princeton en senior auteur van de studie die in het tijdschrift verschijnt wetenschappelijke vooruitgang op 12 februari. "Deze mogelijkheid maakt 3D-visualisatie mogelijk van vloeistofstromen en andere processen die plaatsvinden binnen normaal ontoegankelijke, ondoorzichtige media, zoals aarde en rotsen."

De wetenschappers gebruikten de opstelling om aan te tonen dat de hoeveelheid water die door hydrogels wordt opgeslagen, wordt geregeld door een balans tussen de kracht die wordt uitgeoefend wanneer de hydrogel opzwelt met water en de beperkende kracht van de omringende grond. Als resultaat, zachtere hydrogels absorberen grote hoeveelheden water wanneer ze in oppervlaktelagen van de grond worden gemengd, maar werken niet zo goed in diepere grondlagen, waar ze een grotere druk ervaren. In plaats daarvan, hydrogels die zijn gesynthetiseerd om meer interne crosslinks te hebben, en daardoor stijver zijn en een grotere kracht op de grond kunnen uitoefenen als ze water absorberen, zou effectiever zijn in diepere lagen. Datta zei dat geleid door deze resultaten, ingenieurs zullen nu in staat zijn om verdere experimenten uit te voeren om de chemie van hydrogels aan te passen aan specifieke gewassen en bodemomstandigheden.

"Onze resultaten bieden richtlijnen voor het ontwerpen van hydrogels die optimaal water kunnen opnemen, afhankelijk van de grond waarin ze bedoeld zijn om te worden gebruikt, mogelijk helpen om aan de groeiende vraag naar voedsel en water te voldoen, ' zei Datta.

De inspiratie voor het onderzoek kwam van Datta die leerde over de immense belofte van hydrogels in de landbouw, maar ook dat ze er in sommige gevallen niet aan konden voldoen. Op zoek naar een platform om het gedrag van hydrogels in bodems te onderzoeken, Datta en collega's begonnen met een faux aarde van borosilicaatglaskralen, vaak gebruikt voor verschillende biowetenschappelijke onderzoeken en, in het dagelijkse leven, Kostuum juwelen. De kraalgroottes varieerden van één tot drie millimeter in diameter, consistent met de korrelgroottes van losse, onverpakte grond.

In de zomer van 2018, Datta toegewezen Margaret O'Connell, vervolgens een Princeton-student die in zijn lab werkte via het ReMatch+-programma van Princeton, om additieven te identificeren die de brekingsindex van water zouden veranderen om de lichtvervorming van de kralen te compenseren, laat toch een hydrogel toe om water effectief te absorberen. O'Connell richtte zich op een waterige oplossing waarvan iets meer dan de helft van zijn gewicht werd bijgedragen door ammoniumthiocyanaat.

Nancy Lu, een afgestudeerde student aan Princeton, en Jeremy Cho, toen een postdoc in Datta's lab en nu een assistent-professor aan de Universiteit van Nevada, Las Vegas, bouwde een voorlopige versie van het experimentele platform. Ze plaatsten een gekleurde hydrogelbol, gemaakt van een conventioneel hydrogelmateriaal genaamd polyacrylamide, tussen de kralen en verzamelde enkele eerste waarnemingen.

Jean-François Louf, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Datta, bouwde toen een tweede, verfijnde versie van het platform en voerden de experimenten uit waarvan de resultaten in het onderzoek werden gerapporteerd. Dit laatste platform bevatte een verzwaarde zuiger om druk op de kralen te genereren, het simuleren van een reeks drukken die een hydrogel in de bodem zou tegenkomen, afhankelijk van hoe diep de hydrogel is geïmplanteerd.

Algemeen, de resultaten toonden het samenspel tussen hydrogels en bodems, op basis van hun respectievelijke eigenschappen. Een theoretisch kader dat het team heeft ontwikkeld om dit gedrag vast te leggen, zal helpen bij het verklaren van de verwarrende veldresultaten die door andere onderzoekers zijn verzameld, waar soms de oogstopbrengsten verbeterden, maar andere keren vertoonden hydrogels minimale voordelen of verslechterden zelfs de natuurlijke verdichting van de bodem, het risico op erosie vergroten.

Ruben Juanes, een professor in civiele en milieutechniek aan het Massachusetts Institute of Technology die niet betrokken was bij de studie, commentaar geleverd op de betekenis ervan. "Dit werk opent verleidelijke mogelijkheden voor het gebruik van hydrogels als bodemcondensatoren die de waterbeschikbaarheid moduleren en de waterafgifte aan de wortels van gewassen regelen, op een manier die een echte technologische vooruitgang in duurzame landbouw zou kunnen opleveren, ' zei Juanes.

Andere toepassingen van hydrogels hebben baat bij het werk van Datta en zijn collega's. Voorbeelden van gebieden zijn oliewinning, filtratie, en de ontwikkeling van nieuwe soorten bouwmaterialen, zoals beton doordrenkt met hydrogels om overmatig uitdrogen en barsten te voorkomen. Een bijzonder veelbelovend gebied is de biogeneeskunde, met toepassingen variërend van medicijnafgifte tot wondgenezing en kunstmatige weefselmanipulatie.

"Hydrogels zijn echt cool, veelzijdig materiaal dat ook nog eens leuk is om mee te werken, " zei Datta. "Maar hoewel de meeste laboratoriumstudies zich op hen concentreren in onbeperkte omgevingen, veel toepassingen hebben betrekking op hun gebruik in krappe en krappe ruimtes. We zijn erg enthousiast over dit eenvoudige experimentele platform, omdat het ons in staat stelt te zien wat andere mensen voorheen niet konden zien."