Nella ricerca che potrebbe eventualmente aiutare le colture a sopravvivere alla siccità, gli scienziati dell'Università di Princeton hanno scoperto una ragione chiave per cui la miscelazione di materiale chiamato idrogel con il suolo si è talvolta rivelata deludente per gli agricoltori.

Perle di idrogel, minuscole macchie di plastica che possono assorbire mille volte il loro peso in acqua, sembrano ideali per fungere da minuscoli serbatoi d'acqua sotterranei. In teoria, mentre il terreno si asciuga, gli idrogel rilasciano acqua per idratare le radici delle piante, alleviare così la siccità, conservazione dell'acqua, e aumentare i raccolti.

Eppure la miscelazione di idrogel nei campi degli agricoltori ha avuto risultati discutibili. Gli scienziati hanno faticato a spiegare queste prestazioni irregolari in gran parte perché il suolo, essendo opaco, ha ostacolato i tentativi di osservazione, analizzando, e infine migliorando i comportamenti dell'idrogel.

In un nuovo studio, i ricercatori di Princeton hanno dimostrato una piattaforma sperimentale che consente agli scienziati di studiare il funzionamento nascosto degli idrogel nei suoli, insieme ad altri compressi, ambienti confinati. La piattaforma si basa su due ingredienti:un mezzo granulare trasparente, ovvero un imballaggio di perline di vetro, come sostituto del terreno, e acqua drogata con una sostanza chimica chiamata tiocianato di ammonio. La sostanza chimica cambia abilmente il modo in cui l'acqua piega la luce, compensando gli effetti di distorsione che le perle di vetro rotonde avrebbero normalmente. Il risultato è che i ricercatori possono vedere direttamente attraverso un glob di idrogel colorato in mezzo al terreno finto.

"Una specialità del mio laboratorio è trovare la sostanza chimica giusta nelle giuste concentrazioni per modificare le proprietà ottiche dei fluidi, " disse Sujit Datta, un assistente professore di ingegneria chimica e biologica a Princeton e autore senior dello studio apparso sulla rivista Progressi scientifici il 12 febbraio. "Questa funzionalità consente la visualizzazione 3D di flussi di fluidi e altri processi che si verificano all'interno di aree normalmente inaccessibili, supporti opachi, come terra e rocce".

Gli scienziati hanno utilizzato la configurazione per dimostrare che la quantità di acqua immagazzinata dagli idrogel è controllata da un equilibrio tra la forza applicata quando l'idrogel si gonfia con l'acqua e la forza di confinamento del terreno circostante. Di conseguenza, gli idrogel più morbidi assorbono grandi quantità di acqua quando vengono miscelati negli strati superficiali del terreno, ma non funzionano altrettanto bene negli strati più profondi del terreno, dove sperimentano una pressione maggiore. Anziché, idrogel che sono stati sintetizzati per avere più legami incrociati interni, e di conseguenza sono più rigidi e possono esercitare una forza maggiore sul terreno mentre assorbono l'acqua, sarebbe più efficace negli strati più profondi. Datta ha detto che guidato da questi risultati, gli ingegneri saranno ora in grado di condurre ulteriori esperimenti per adattare la chimica degli idrogel a colture e condizioni del suolo specifiche.

"I nostri risultati forniscono linee guida per la progettazione di idrogel in grado di assorbire in modo ottimale l'acqua a seconda del terreno in cui devono essere utilizzati, potenzialmente contribuendo a soddisfare la crescente domanda di cibo e acqua, " disse Datta.

L'ispirazione per lo studio è venuta da Datta che ha appreso l'immensa promessa degli idrogel in agricoltura, ma anche il loro fallimento in alcuni casi. Cercando di sviluppare una piattaforma per studiare il comportamento dell'idrogel nei suoli, Datta e colleghi hanno iniziato con un finto terreno di perle di vetro borosilicato, comunemente usato per varie indagini di bioscienza e, nella vita di tutti i giorni, bigiotteria. Le dimensioni delle perle variavano da uno a tre millimetri di diametro, coerente con le granulometrie di sciolto, terreno non impaccato.

Nell'estate 2018 Datta ha assegnato a Margaret O'Connell, poi uno studente universitario di Princeton che lavora nel suo laboratorio attraverso il programma ReMatch+ di Princeton, identificare gli additivi che cambierebbero l'indice di rifrazione dell'acqua per compensare la distorsione della luce delle perline, ma consentono comunque a un idrogel di assorbire efficacemente l'acqua. O'Connell si è acceso su una soluzione acquosa con poco più della metà del suo peso contribuito da tiocianato di ammonio.

Nancy Lu, uno studente laureato a Princeton, e Jeremy Cho, poi un postdoc nel laboratorio di Datta e ora un assistente professore all'Università del Nevada, Las Vegas, costruito una versione preliminare della piattaforma sperimentale. Hanno posizionato una sfera di idrogel colorata, realizzato con un materiale idrogel convenzionale chiamato poliacrilammide, tra le perline e raccolto alcune prime osservazioni.

Jean Francois Louf, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Datta, poi costruito un secondo, versione affinata della piattaforma ed eseguito gli esperimenti i cui risultati sono stati riportati nello studio. Questa piattaforma finale includeva un pistone ponderato per generare pressione sopra le perline, simulando una gamma di pressioni che un idrogel incontrerebbe nel suolo, a seconda della profondità dell'impianto di idrogel.

Globale, i risultati hanno mostrato l'interazione tra idrogel e suoli, in base alle rispettive proprietà. Un quadro teorico sviluppato dal team per catturare questo comportamento aiuterà a spiegare i risultati confondenti sul campo raccolti da altri ricercatori, dove a volte i raccolti miglioravano, ma altre volte gli idrogel hanno mostrato benefici minimi o addirittura hanno degradato la compattazione naturale del suolo, aumentando il rischio di erosione.

Ruben Juanes, un professore di ingegneria civile e ambientale presso il Massachusetts Institute of Technology che non è stato coinvolto nello studio, ha offerto commenti sul suo significato. "Questo lavoro apre allettanti opportunità per l'uso di idrogel come condensatori del suolo che modulano la disponibilità di acqua e controllano il rilascio di acqua alle radici delle colture, in un modo che potrebbe fornire un vero progresso tecnologico nell'agricoltura sostenibile, " disse Juanes.

Altre applicazioni degli idrogel trarranno vantaggio dal lavoro di Datta e dei suoi colleghi. Le aree di esempio includono il recupero del petrolio, filtrazione, e lo sviluppo di nuovi tipi di materiali da costruzione, come il calcestruzzo infuso con idrogel per evitare un'eccessiva secchezza e fessurazione. Un settore particolarmente promettente è la biomedicina, con applicazioni che vanno dalla somministrazione di farmaci alla guarigione delle ferite e all'ingegneria dei tessuti artificiali.

"Gli idrogel sono davvero fantastici, materiale versatile con cui è anche divertente lavorare, "ha detto Datta. "Ma mentre la maggior parte degli studi di laboratorio si concentra su di essi in ambienti non confinati, molte applicazioni prevedono il loro utilizzo in spazi ristretti e ristretti. Siamo molto entusiasti di questa semplice piattaforma sperimentale perché ci consente di vedere ciò che altre persone non potevano vedere prima".