„Podívejte se skrz Zemi“, abyste se dozvěděli skrytá díla hydrogelů, mohou zemědělcům pomoci vyléčit budoucí sucha

Ve výzkumu, který později pomůže rostlinám přežít žízeň, vědci v Univerzita Princeton objevili jeden z hlavních důvodů, proč se míchání materiálu zvaného hydrogely s půdou pro farmáře někdy ukázalo jako frustrující.

Hydrogelové korálky, malé plastové polotovary, které mohou absorbovat až tisíckrát větší hmotnost vody, a zároveň slouží jako malá podzemní nádržka na vodu. Teoreticky, jak půda vysychá, hydrogely uvolňují vodu, aby hydratovaly kořeny rostlin, čímž uvolňují sucha, šetří vodu a zvyšují výnosy.

Ačkoli míchání hydrogelů v zemědělských podnicích zemědělců zaznamenalo negativní výsledky. Vědci se snaží vysvětlit nerovné výkony v mnoha ohledech, protože Země – která je neviditelná – brání pokusům pozorovat, analyzovat a nakonec zlepšit chování hydrogelu.

V nové studii vědci z Princetonu představili experimentální platformu, která vědcům umožňuje studovat tajnou práci hydrogelů na půdách, mimo jiné komprimovat a mačkat prostředí. Platforma se opírá o dvě složky: transparentní granulované médium – což je balíček skleněných kuliček – jako zádržná půda a doping vodou chemickou látkou zvanou thiokyanát amonný. Chemikálie je chytře upravena způsobem, jakým se voda ohýbá ve světle, aby nedocházelo ke zkresleným účinkům, které se často vyskytují u kulatých skleněných kuliček. Dobrou zprávou je, že vědci ho najdou přímo na barevném hydrogelovém glóbu uprostřed umělé Země.

“Specialista v mé laboratoři hledá správnou chemikálii ve správných koncentracích, aby změnil optické vlastnosti kapaliny,” říká Sujit Datta, odborný asistent chemického a biologického inženýrství v Princetonu a hlavní autor studie nalezený v časopise. Vědecké pokroky 12. února 2021. „Tato funkce umožňuje 3D vizualizaci toků tekutin a dalších procesů, které se vyskytují v často nedosažitelných, neviditelných médiích, jako je půda a horniny.“

Čistý výhled na hydrogely

Vědci z Princetonu použili borosilikátové skleněné kuličky jako náhradu půdy ke studiu chování hydrogelů, které slouží jako vodní nádrže v polních farmách. Vědci použili přísadu ke korekci zkreslení kuliček, což jim umožnilo jasně pozorovat hydrogel. Foto Datta et al / Princeton University. Uznání: Datta et al / Princeton University

Vědci používají sestavu k prokázání, že množství vody uložené hydrogely je řízeno rovnováhou mezi aplikovanou silou, zatímco hydrogel stlačuje vodu a koncovou silou kolem Země. Výsledkem je, že nejměkčí hydrogely absorbují hodně vody, když jsou smíchány s vrstvami půdy, ale také nepracují s hlubšími vrstvami půdy, kde jsou vystaveny většímu tlaku. Hydrogely jsou však syntetizovány tak, aby obsahovaly mnoho zesíťování, a ve výsledku jsou závažnější a mohou v půdě způsobit spoustu energie, protože absorbují vodu, účinněji v hlubokých vrstvách. Datta uvedl, že na základě výsledků budou nyní inženýři moci provádět další experimenty s cílem přizpůsobit chemii hydrogelů konkrétním plodinám a půdním podmínkám.

„Naše výsledky poskytují pokyny pro konstrukci hydrogelů, které mohou absorbovat vodu v závislosti na půdě, kterou plánují použít, což může pomoci uspokojit rostoucí potřeby potravin a vody,“ uvedl Datta.

Inspirací pro tuto studii byly znalosti společnosti Datta o mnoha příslibech zemědělských hydrogelů, ale v některých případech také jejich nesplnění. Ve snaze vytvořit platformu pro zkoumání hydrogelového chování půd Datta a spolupracovníci zahájili umělou půdu s korálky z borosilikátového skla, které se běžně používají pro různé biologické vědy a pro každodenní život. Velikosti korálků se pohybují v průměru od jednoho do tří centimetrů, což odpovídá velikosti zrn ve volné, neloupané půdě.


Když vědci přidali vodný roztok thiokyanátu amonného, ​​vyčistili zkreslení způsobené kuličkami z borosilikátového skla a umožnili jasnější pohled na hydrogel. Uznání: Datta et al / Princeton University

V létě roku 2018 Datta jmenovala Margaret O’Connell, vysokoškolskou studentku z Princetonu, která pracuje ve své laboratoři prostřednictvím programu ReMatch + společnosti Princeton, aby identifikovala vodní index přísad měnících zkreslení, aby vyplnil zkreslení světelných kuliček, ale stále umožňuje hydrogelu účinně absorbovat vodu. O’Connell zředěný ve vodném roztoku obsahujícím více než polovinu jeho hmotnosti přidaného s thiokyanátem amonným.

Úvodní verzi experimentální platformy vytvořila Nancy Lu, absolventka Princetonu, a Jeremy Cho, dříve postdoktor v laboratoři společnosti Datta a nyní odborný asistent na Nevadské univerzitě v Las Vegas. Vložili mezi zrna barevnou hydrogelovou kouli vyrobenou ze společného hydrogelového materiálu zvaného polyakrylamid a shromáždili několik počátečních pozorování.

Jean-Francois Louf, postdoktorský výzkumník v laboratoři Datta, později vytvořil druhou, dodanou verzi na platformě a provedl experimenty s výsledky uvedenými ve studii. Konečná plošina je vybavena váhovým pístem, který vyvíjí tlak na horní část perliček, napodobující různé tlaky hydrogelu na zem, v závislosti na hloubce vstřikování hydrogelu.

Obecně jsou uvedeny výsledky kombinace mezi hydrogely a půdou v souladu s jejich příslušnými vlastnostmi. Teoretický rámec vyvinutý skupinou k přijetí tohoto chování pomáhá vysvětlit matoucí důsledky pole nahromaděného jinými výzkumníky, kde je někdy těžba, ale jindy vykazují hydrogely malé výhody nebo dokonce snižují přirozené zhutnění půdy, čímž se zvyšuje riziko eroze půdy.

Ruben Juanes, profesor civilního a environmentálního inženýrství na Massachusetts Institute of Technology, který se studie neúčastní, nabízí komentáře k její důležitosti. „Tato práce otevírá obrovské příležitosti pro použití hydrogelů jako pozemních kondenzátorů, které modulují dostupnost vody a regulují ztrátu vody v kořenech rostlin způsobem, který poskytuje skutečný technologický pokrok v udržitelném zemědělství,“ řekl Juanes.

Další aplikace hydrogelů pocházejí z práce Datty a jejích kolegů. Příkladem oblastí, které se podílejí na těžbě, filtraci a vývoji oleje, jsou nové druhy stavebních materiálů, jako jsou betonové uzavřené hydrogely, které zabraňují nadměrnému vysychání a praskání. Specifickou oblastí propagace je biomedicína s aplikacemi od podávání léků po hojení ran a tvorbu umělých tkání.

“Hydrogely jsou opravdu skvělý, všestranný materiál, se kterým je také zábava pracovat,” říká Datta. „Ale zatímco většina laboratorních studií je nasměruje na nestrukturovaná nastavení, mnoho aplikací zahrnuje použití úzkých a úzkých prostorů. Jsme nadšení z jednoduchosti této platformy. Experimentální, protože nám umožňuje vidět to, co ostatní lidé neviděli.“

Odkaz: 12. února 2021, Vědecké pokroky.

Práce je podporována National Science Foundation a Princeton High Meadows Environmental Institute.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Houby mohou léčit bakterie a obohatit půdu o živiny

Aeroskulární mykorhizní houby se rozprostírají přes dlouhé vláknité struktury zvané krásně až k zemi. Krásy, menší než lidské vlasy, lze vidět mezi kořeny...

Světlo zapíná barvy a vzory objektů

Nový systém využívá ultrafialové světlo, které se promítá na objekty natřené barvou aktivující světlo, ke změně reflexních vlastností barvy a vytváření obrazů během několika...

Ne! Je pravděpodobnější, že žádosti o půjčku zpracované kolem poledne budou zamítnuty

Úředníci bankovních půjček pravděpodobněji budou schvalovat žádosti o půjčky dříve a později během dne, zatímco „únava z rozhodování“ kolem poledne je spojena s nedodržováním...

Náročné modely před oddělením v Bothnian Bay

19. dubna 2021 Mořský led na severu Baltského moře vykazuje některé přesvědčivé vzory, než se na jaře roztaví a setře. Na rozdíl od mořského ledu, který...

Výjimečná biologická rozmanitost ve 14,7 milionu let starém tropickém deštném pralese a osvětluje vývoj

Ekologická rekonstrukce bioty Zhangpu. Obrazový kredit: NIGPAS Nově objevený miocénní biom osvětluje vývoj deštného pralesa Mezinárodní výzkumná skupina vedená profesorem WANG Bo a profesorem SHI...

Newsletter

Subscribe to stay updated.