“通过土壤”研究水凝胶的隐藏工作可以帮助农民处理未来的干旱

在最终有助于作物生存干旱的研究中，普林斯顿大学的科学家发现了一个关键原因，即叫做土壤的水凝胶的混合材料有时被证明对农民令人失望。

水凝胶珠子，微小的塑料斑点可以吸收千倍的水中的水中的一千次，看起来非常适合作为水的微小地下水库。从理论上讲，随着土壤干燥，水凝胶释放水以水合物植物的根，从而减轻干旱，节约用水和促进作物产量。

然而将水凝胶混合到农民的田地中具有斑点结果。科学家们在很大程度上努力解释这些不均匀的表现，因为土壤是不透明的 - 挫败了观察，分析和最终改善水凝胶行为的尝试。

在一项新的研究中，普林斯顿研究人员展示了一个实验平台，使科学家能够研究土壤中的水凝块的隐藏工作，以及其他压缩，狭窄的环境。该平台依赖于两种成分：透明颗粒介质 - 即玻璃珠包装 - 作为土壤搭接，水掺杂有含硫氰酸铵的化学物质。化学化学品巧妙地改变水弯曲光线，偏移扭曲效果通常具有圆形玻璃珠。结果是研究人员可以在人造的土壤中直接看到彩色水凝胶球。

Sujit Datta是普林斯顿的助理和生物工程助理教授的右侧浓度的特殊化学品，以改变流体的光学性质。 2021年2月12日。“这种能力使得能够在通常可接近的不透明介质（例如土壤和岩石）内发生的流体流量和其他发生的其他过程。”

普林斯顿研究人员用硼硅酸盐玻璃珠作为土壤的替代品，以研究作为农场领域水库的水凝块的行为。研究人员使用添加剂来校正来自珠子的畸变，使它们清楚地观察水凝胶。照片作者Datta等人/普林斯顿大学。

科学家们使用该设置证明水凝胶储存的水量由当水凝胶膨胀的力与周围土壤的限制力施加的力之间的平衡来控制。结果，当混合到土壤的表面层时，更柔软的水凝胶吸收大量的水，但在较深的土层中也不起作用，在那里他们经历更大的压力。相反，已经合成的水凝胶具有更多内部交联，并且结果是静言，并且可以在土壤中吸收水的较大力，在更深层中会更有效。DATTA表示，通过这些结果指导，工程师现在可以进行进一步的实验，以定制水凝胶的化学作物和土壤条件。

“我们的结果为设计的水凝胶提供了可靠性地吸收水凝胶的准则，根据其旨在使用，可能有助于解决对食物和水的不断增长的需求，”Datta说。

该研究的灵感来自于Datta了解农业水凝块的巨大承诺，而且在某些情况下也失败。寻求开发一个调查土壤中水凝胶行为的平台，Datta和同事开始于硼硅酸盐玻璃珠的仿泥土珠，常用于各种生物科调查，并在日常生活中，服装珠宝。珠子尺寸范围为直径一至三毫米，与松散，未包装的土壤的晶粒尺寸一致。

当研究人员加入硫氰酸铵的水溶液时，它清除了硼硅酸盐玻璃珠引起的扭曲，并允许透明水凝胶。

2018年夏季，Datta分配了Margaret O'Connell，然后通过普林斯顿的实验室在他的实验室工作，以识别将改变水的折射率抵消珠子光扭曲的添加剂，但仍然允许水凝胶仍然有效吸水。O'connell alit在水溶液上，其重量的一半以上由硫氰酸铵贡献。

Nancy Lu，普林斯顿的研究生和Jeremy Cho，然后是Datta实验室的邮局，现在是内华达大学拉斯维加斯大学助理教授，建立了实验平台的初步版本。它们放置了一种彩色水凝胶球，由常规的水凝胶材料制成，称为聚丙烯酰胺，在珠子中并聚集一些初始观察。

Jean-Francois Louf是Datta Lab的博士后研究员，然后建造了第二个磨练的平台，并进行了实验，其结果在研究中报道。该最终平台包括加权活塞，在珠子顶部产生压力，模拟水凝胶在土壤中遇到的压力范围，这取决于植入水凝胶的深层。

总体而言，结果显示了水凝胶和土壤之间的相互作用，基于它们各自的性质。该团队开发捕捉这种行为的理论框架将有助于解释其他研究人员聚集的混淆现场结果，其中有时作物产量得到改善，但其他时代水凝胶显示出最小的益处或甚至降解土壤的自然压实，增加了侵蚀的风险。

Massachusetts技术工程学院的土木和环境工程教授鲁汶·林斯没有参与该研究，就其意义提出了评论。“这项工作开辟了使用水凝胶作为土壤电容器的诱人机会，以调节水可用性和控制水释放，以便在可持续农业中提供真正的技术进步，”Juanes说。

水凝胶的其他应用支持与Datta及其同事的工作获得。示例区域包括石油回收，过滤和开发新型建筑材料，如混凝土与水凝胶注入，以防止过度干燥和开裂。一个特别有希望的区域是生物医学，其中应用范围从药物递送到伤口愈合和人工组织工程。

“水凝胶是一个非常凉爽的多功能材料，也恰好有趣的工作，”Datta说。“但是，虽然大多数实验室研究专注于在不合适的环境中，但许多应用程序涉及他们在紧密和限制空间中使用。我们对这个简单的实验平台非常兴奋，因为它允许我们看到以前无法看到的其他人。“

参考：“在压力之下：Surgeled Margural B.Luant G. Lu，H. Jergeret G. O'Connell，H.Jergeret G. O'Connell，H.Jergem Cho o和Sujit S. Datta，2021年2月12日，Surgelet B. Lu，Margaret G. O'Connell，Margaret G. O'Connell，Sujit Schult。
10.1126 / sciadv.abd2711

该工作是由国家科学基金会和普林斯顿的高草甸环境研究所的支持。