I forskning som så småningom kan hjälpa grödor att överleva torka, forskare vid Princeton University har avslöjat en viktig orsak till att blandning av material som kallas hydrogeler med jord ibland har visat sig vara en besvikelse för bönder.

Hydrogel pärlor, små plastklumpar som kan absorbera tusen gånger sin vikt i vatten, verkar idealiskt lämpade att fungera som små underjordiska reservoarer av vatten. I teorin, när jorden torkar, hydrogeler släpper ut vatten för att återfukta växternas rötter, på så sätt lindra torka, spara vatten, och öka 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 – som är ogenomskinlig – har hindrat försök att observera, analyserar, och slutligen förbättra hydrogelbeteenden.

I en ny studie, Princeton-forskarna demonstrerade 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 förändrar på ett smart sätt hur vattnet böjer ljus, kompenserar de förvrängande 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 förändra de optiska egenskaperna hos vätskor, sa Sujit Datta, en biträdande professor i kemisk och biologisk teknik vid Princeton och senior författare till studien som visas i tidskriften Vetenskapens framsteg den 12 februari "Denna förmåga möjliggör 3D-visualisering av vätskeflöden och andra processer som sker inom normalt otillgängliga, ogenomskinlig media, som jord och stenar."

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, mjukare hydrogeler absorberar 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, hydrogeler som har syntetiserats för att ha fler interna tvärbindningar, och som ett resultat är styvare och kan utöva en större kraft på jorden när de absorberar vatten, skulle vara effektivare i djupare lager. Datta sa att vägleds av dessa resultat, ingenjörer kommer 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 vilken jord de är avsedda att användas i, potentiellt bidra till att möta växande efterfrågan på mat och vatten, sa 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. Försöker utveckla en plattform för att undersöka hydrogelbeteende i jord, Datta och kollegor började med en falsk jord av borosilikatglaspärlor, används ofta för olika biovetenskapliga undersökningar och, i vardagen, kostymsmycken. Pärlstorlekarna varierade från en till tre millimeter i diameter, överensstämmer med kornstorlekarna på lös, uppackad jord.

Sommaren 2018, Datta tilldelade Margaret O'Connell, sedan en Princeton-student som arbetar i sitt labb genom Princetons ReMatch+-program, för att identifiera tillsatser som skulle ändra vattnets brytningsindex för att kompensera pärlornas ljusförvrängning, låt ändå en hydrogel effektivt absorbera vatten. O'Connell tog en vattenlösning med lite över hälften av sin vikt tillfört av ammoniumtiocyanat.

Nancy Lu, en doktorand vid Princeton, och Jeremy Cho, sedan postdoc i Dattas labb och nu biträdande professor vid University of Nevada, Las Vegas, byggde en preliminär version av experimentplattformen. De placerade en färgad hydrogelsfär, tillverkad av ett konventionellt hydrogelmaterial som kallas polyakrylamid, mitt bland pärlorna och samlade några inledande observationer.

Jean-Francois Louf, en postdoktor i Dattas labb, sedan konstruerade en andra, finslipade versionen av plattformen och utförde experimenten vars resultat rapporterades i studien. Denna sista plattform inkluderade en viktad kolv för att generera tryck på toppen av pärlorna, simulera ett antal tryck som en hydrogel skulle stöta på i marken, beroende på hur djupt hydrogelen är implanterad.

Övergripande, resultaten visade 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, ökar risken för erosion.

Ruben Juanes, en professor i civil- och miljöteknik vid Massachusetts Institute of Technology som inte var involverad i studien, lämnade kommentarer om dess betydelse. "Detta arbete öppnar lockande möjligheter för användning 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 läkemedelstillförsel till sårläkning och konstgjord vävnadsteknik.

"Hydrogels är en riktigt cool, mångsidigt material som också råkar vara roligt att arbeta med, " sa Datta. "Men medan de flesta labbstudier fokuserar på dem i oavgränsade miljöer, många applikationer involverar användning 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."