En investigaciones que eventualmente pueden ayudar a los cultivos a sobrevivir a la sequía, Los científicos de la Universidad de Princeton han descubierto una razón clave por la que mezclar material llamado hidrogeles con suelo a veces ha resultado decepcionante para los agricultores.

Perlas de hidrogel, pequeñas gotas de plástico que pueden absorber mil veces su peso en agua, parecen ideales para servir como pequeños depósitos subterráneos de agua. En teoria, mientras el suelo se seca, los hidrogeles liberan agua para hidratar las raíces de las plantas, aliviando así las sequías, conservando el agua, e impulsar el rendimiento de los cultivos.

Sin embargo, mezclar hidrogeles en los campos de los agricultores ha tenido resultados irregulares. Los científicos han luchado por explicar estos resultados desiguales en gran parte porque el suelo, al ser opaco, ha frustrado los intentos de observar, analizando, y, en última instancia, mejorar los comportamientos del hidrogel.

En un nuevo estudio, los investigadores de Princeton demostraron una plataforma experimental que permite a los científicos estudiar el funcionamiento oculto de los hidrogeles en los suelos, junto con otros comprimidos, ambientes confinados. La plataforma se basa en dos ingredientes:un medio granular transparente, es decir, un paquete de perlas de vidrio, como sustituto del suelo, y agua dopada con una sustancia química llamada tiocianato de amonio. El químico cambia hábilmente la forma en que el agua dobla la luz, compensando los efectos de distorsión que normalmente tendrían las perlas de vidrio redondas. El resultado es que los investigadores pueden ver directamente un globo de hidrogel coloreado en medio del suelo falso.

"Una especialidad de mi laboratorio es encontrar la sustancia química adecuada en las concentraciones adecuadas para cambiar las propiedades ópticas de los fluidos, "dijo Sujit Datta, profesor asistente de ingeniería química y biológica en Princeton y autor principal del estudio que aparece en la revista Avances de la ciencia el 12 de febrero. "Esta capacidad permite la visualización en 3-D de los flujos de fluidos y otros procesos que ocurren en lugares normalmente inaccesibles, medios opacos, como el suelo y las rocas ".

Los científicos utilizaron la configuración para demostrar que la cantidad de agua almacenada por los hidrogeles está controlada por un equilibrio entre la fuerza aplicada cuando el hidrogel se hincha con el agua y la fuerza de confinamiento del suelo circundante. Como resultado, los hidrogeles más blandos absorben grandes cantidades de agua cuando se mezclan con las capas superficiales del suelo, pero no funcionan tan bien en capas más profundas de suelo, donde experimentan una mayor presión. En lugar de, hidrogeles que han sido sintetizados para tener más enlaces cruzados internos, y como resultado son más rígidos y pueden ejercer una fuerza mayor sobre el suelo a medida que absorben agua, sería más eficaz en capas más profundas. Datta dijo eso, guiados por estos resultados, Los ingenieros ahora podrán realizar más experimentos para adaptar la química de los hidrogeles a cultivos específicos y condiciones del suelo.

"Nuestros resultados brindan pautas para diseñar hidrogeles que puedan absorber agua de manera óptima según el suelo en el que deben usarse, potencialmente ayudando a abordar las crecientes demandas de alimentos y agua, "dijo Datta.

La inspiración para el estudio provino de que Datta se enteró de la inmensa promesa de los hidrogeles en la agricultura, pero también de su incapacidad para cumplirla en algunos casos. Buscando desarrollar una plataforma para investigar el comportamiento del hidrogel en suelos, Datta y sus colegas comenzaron con un suelo falso de perlas de vidrio de borosilicato, de uso común para diversas investigaciones de biociencias y, en todos los días de la vida, joyería de disfraz. Los tamaños de las perlas variaban de uno a tres milímetros de diámetro, acorde con los tamaños de grano sueltos, suelo desempacado.

En verano de 2018, Datta asignó a Margaret O'Connell, luego un estudiante universitario de Princeton que trabajaba en su laboratorio a través del programa ReMatch + de Princeton, para identificar aditivos que cambiarían el índice de refracción del agua para compensar la distorsión de la luz de las perlas, sin embargo, permita que un hidrogel absorba el agua de manera efectiva. O'Connell tomó una solución acuosa con un poco más de la mitad de su peso aportado por tiocianato de amonio.

Nancy Lu, un estudiante de posgrado en Princeton, y Jeremy Cho, luego un postdoctorado en el laboratorio de Datta y ahora profesor asistente en la Universidad de Nevada, Las Vegas, construyó una versión preliminar de la plataforma experimental. Colocaron una esfera de hidrogel de color, hecho de un material de hidrogel convencional llamado poliacrilamida, en medio de las cuentas y reuní algunas observaciones iniciales.

Jean-Francois Louf, investigador postdoctoral en el laboratorio de Datta, luego construyó un segundo, perfeccionó la versión de la plataforma y realizó los experimentos cuyos resultados se informaron en el estudio. Esta plataforma final incluyó un pistón ponderado para generar presión en la parte superior de las cuentas, simulando un rango de presiones que un hidrogel encontraría en el suelo, dependiendo de qué tan profundo se implante el hidrogel.

En general, los resultados mostraron la interacción entre hidrogeles y suelos, en función de sus respectivas propiedades. Un marco teórico que el equipo desarrolló para capturar este comportamiento ayudará a explicar los confusos resultados de campo recopilados por otros investigadores. donde a veces los rendimientos de los cultivos mejoraron, pero otras veces los hidrogeles mostraron beneficios mínimos o incluso degradaron la compactación natural del suelo, aumentando el riesgo de erosión.

Rubén Juanes, un profesor de ingeniería civil y ambiental en el Instituto de Tecnología de Massachusetts que no participó en el estudio, ofreció comentarios sobre su importancia. "Este trabajo abre oportunidades tentadoras para el uso de hidrogeles como condensadores del suelo que modulan la disponibilidad de agua y controlan la liberación de agua a las raíces de los cultivos, de una manera que pueda proporcionar un verdadero avance tecnológico en la agricultura sostenible, dijo Juanes.

Otras aplicaciones de los hidrogeles pueden beneficiarse del trabajo de Datta y sus colegas. Las áreas de ejemplo incluyen la recuperación de petróleo, filtración, y el desarrollo de nuevos tipos de materiales de construcción, como el hormigón infundido con hidrogeles para evitar el secado y el agrietamiento excesivos. Un área particularmente prometedora es la biomedicina, con aplicaciones que van desde la administración de fármacos hasta la cicatrización de heridas y la ingeniería de tejidos artificiales.

"Los hidrogeles son realmente geniales, material versátil con el que también resulta divertido trabajar, ", dijo Datta." Pero aunque la mayoría de los estudios de laboratorio se centran en ellos en entornos no confinados, muchas aplicaciones implican su uso en espacios reducidos y confinados. Estamos muy entusiasmados con esta sencilla plataforma experimental porque nos permite ver lo que otras personas no podían ver antes ".